DE102011009916A1

DE102011009916A1 - Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011009916A1
Application number: DE102011009916A
Authority: DE
Inventors: Michael Heim; Andrew Glynn
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-02
Also published as: EP2670967A1; EP2670967B1; US20130305693A1; KR20140018223A; WO2012104177A1

Abstract

Eine Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine weist eine Rückführleitung auf, die von einem Abgasstrang abzweigt und in einen Ansaugtrakt einmündet. in der Rückführleitung ist ein Abscheiderbauteil angeordnet. Stromab des Abscheiderbauteils mündet eine Gasleitung in die Rückführleitung, über die zusätzliches Gas zuführbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der EP 2 199 585 A1 wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben, die mit einer Abgasrückführungseinrichtung versehen ist. Die Abgasrückführungseinrichtung umfasst eine Rückführleitung, die stromab einer Abgasreinigungseinheit im Abgasstrang der Brennkraftmaschine verzweigt und in den Ansaugtrakt stromauf eines Verdichters einmündet, welcher Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Die Abgasturbine des Abgasturboladers ist stromauf der Abgasreinigungseinheit im Abgasstrang angeordnet.
In der Rückführleitung sind ein einstellbares Ventil und sowie ein Abgaskühler angeordnet, über den das Abgas vor der Einleitung in den Ansaugtrakt auf niedrigere Temperaturen gekühlt wird. Des Weiteren ist in der Rückführleitung ein Zyklonabscheider angeordnet, über den Partikel ausgeschieden werden können, welche im Gasstrom durch die Rückführleitung mitgeführt werden. Derartige Partikel, die beispielsweise von der Abgasreinigungseinheit stammen, können zu einer Schädigung des Motors sowie des Abgasturboladers führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen und in effizienter Weise Partikel aus dem durch eine Abgasrückführungseinrichtung geleiteten Gasstrom in einer Brennkraftmaschine abzuscheiden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Abgasrückführungseinrichtung wird in Brennkraftmaschinen eingesetzt und dient dazu, einen Teil des Abgasstroms aus dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine in den Ansaugtrakt rückzuführen, um das Abgas- und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
In einer Rückführleitung der Abgasrückführungseinrichtung befindet sich ein Abscheiderbauteil, welches dazu dient, im Abgasstrom durch die Rückführleitung mitgeführte Partikel abzuscheiden, um eine Schädigung der Brennkraftmaschine bzw. sonstiger, der Brennkraftmaschine zugeordneter Aggregate zu verhindern. Die mitgeführten Partikel werden durch eine sogenannte heterogene Kondensation vergrößert, indem mit Unterschreiten des Taupunktes sich Wassertröpfchen durch Kondensation an den Partikeln anlagern, so dass insgesamt die Partikel eine größere Masse aufweisen und der Wirkungsgrad der Abscheidung durch höhere Trägheitskräfte verbessert ist.
Erfindungsgemäß mündet stromauf des Abscheiderbauteils eine Gasleitung in die Rückführleitung ein, über die zusätzliches Gas zuführbar ist. Bei dem zusätzlichen Gas handelt es sich vorzugsweise um Luft, wobei gegebenenfalls auch sonstiges Gas zugeführt werden kann, beispielsweise zusätzliches Abgas.
Über die Zufuhr des zusätzlichen Gases, welches eine niedrigere Temperatur aufweist als der rückgeführte Abgasstrom durch die Rückführleitung, wird mit dem Vermischen des rückgeführten Abgases insgesamt eine niedrigere Temperatur erreicht, so dass der Taupunkt leichter unterschritten und die Kondensation verbessert wird. Sofern Luft über die Gasleitung zugeführt wird, steht außerdem eine zusätzliche einstellbare Größe für die Regulierung der Abgaskonzentration zur Verfügung.
Darüber hinaus ist eine einfache Anpassung an verschiedene Betriebsweisen der Brennkraftmaschine möglich. Je nach aktuellem Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann die Höhe des zugeführten Gasanteils in die Rückführleitung eingestellt werden. Zur Regulierung des Anteils dient zweckmäßigerweise ein in der Gasleitung angeordnetes, einstellbares Regelventil.
Die Vermischung des rückgeführten Gasmassenstromes mit dem Abgasmassenstrom, der durch die Rückführleitung geführt ist, erfolgt vorzugsweise über ein Mischerbauteil, das in die Rückführleitung integriert ist. Die Gasleitung mündet in das Mischerbauteil zur Vermischung des Gasanteils mit dem Abgas.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Abscheiderbauteil als ein Zyklonabscheider ausgebildet ist. Derartige Zyklonabscheider zeichnen sich durch eine konstruktiv einfache und effiziente Bauweise aus und lassen sich auch auf kleinem Bauraum unterbringen. Im Zyklonabscheider erfolgt die Abscheidung der durch kondensierte Flüssigkeit vergrößerten Partikel aufgrund der erhöhten Trägheitskräfte.
In einer Ausführungsform ist das Abscheiderbauteil stromabwärts des Mischerbauteils angeordnet. In einer Weiterbildung ist das Mischerbauteil eine Mischkammer, die in den Zyklonabscheider integriert ist, wobei insbesondere der Abscheidebereich des Zyklonabscheiders der Mischkammer in Strömungsrichtung nachgeordnet sein kann.
Die Abgasrückführungseinrichtung umfasst vorteilhafterweise ein regelbares Rückführventil sowie einen Abgaskühler, der in die Rückführleitung integriert ist. Über das Rückführventil kann die Höhe des Abgasmassenstromes durch die Rückführleitung eingestellt werden. Im Abgaskühler, der stromauf des Abscheiderbauteils sowie der Mündungsstelle der Gasleitung in die Rückführleitung angeordnet ist, wird das aus dem Abgasstrang verzweigte und unter hohen Temperaturen stehende Abgas abgekühlt.
Die Brennkraftmaschine, in welcher die Abgasrückführungseinrichtung eingesetzt wird, kann mit einem Abgasturbolader ausgestattet sein, welcher einen Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine im Abgasstrang umfasst. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen befindet sich stromab der Abgasturbine ein Dieselpartikelfilter im Abgasstrang, über den die Rußpartikel im Abgas ausgesondert werden. Die Rückführleitung verzweigt stromab der Abgasturbine und im Falle des Dieselpartikelfilters stromab von diesem. Partikel, welche sich von der üblicherweise als Partikelfilter ausgeführten Abgasreinigungseinheit lösen und die in die Rückführleitung gelangen, werden wie vorbeschrieben in dem Abscheiderbauteil abgeschieden. Im Falle eines Dieselpartikelfilters umfasst dieser beispielsweise einen Keramikkörper, wobei über die Abscheidereinheit vermieden wird, dass sich versehentlich lösende Keramikpartikel in einen eventuell vorhandenen Verdichter und in die Brennkraftmaschine gelangen.
Die in die Rückführleitung mündende Gasleitung verzweigt vorteilhafterweise stromab eines Luftfilters im Ansaugtrakt. Möglich ist aber auch eine Ausführung, bei der über die Gasleitung separat vom Ansaugtrakt zusätzliches Gas, insbesondere Umgebungsluft in die Rückführleitung einzuleiten ist, wobei gegebenenfalls ein zusätzlicher Luftfilter in die Gasleitung integriert ist.
Bei einem Verfahren zum Betrieb der Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der über die Gasleitung zuzuführende Luftmassenstrom von dem aktuellen Lastzustand und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Es ist insbesondere zweckmäßig, den zuzuführenden Luftmassenstrom bzw. einen sonstigen Gasmassenstrom, der über die Gasleitung in die Rückführleitung mündet, bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen zu reduzieren, gegebenenfalls bis auf Null und bei höheren Lasten bzw. Drehzahlen zu erhöhen, da bei diesen Betriebszuständen die Kühlung des rückgeführten Abgasmassenstroms über den Abgaskühler gegebenenfalls nicht ausreicht, um den Taupunkt zu unterschreiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der in schematischer Weise eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführungseinrichtung dargestellt ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die in der Figur dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. Die Abgasturbine 3 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben, wobei ein Verdichterrad im Verdichter 5 über eine verbindende Welle von dem Turbinenrad in der Abgasturbine 3 angetrieben wird und zugeführte Verbrennungsluft im Ansaugtrakt 6 auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Im Ansaugtrakt 6 befindet sich stromauf des Verdichters 5 ein Luftfilter 9.
Im Abgasstrang 4 ist stromab der Abgasturbine 3 ein Keramik-Partikelfilter 7 angeordnet, über den im Abgas mitgeführte Rußpartikel abgesondert werden. Des Weiteren ist stromab des Partikelfilters 7 im Abgasstrang 4 eine Abgasnachbehandlungseinheit 8 angeordnet.
Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführungseinrichtung 10 ausgestattet, über die ein Teilmassenstrom des Abgases aus dem Abgasstrang 4 in den Ansaugtrakt 6 zurückgeführt wird. Dies erfolgt in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, um das Verbrauchs- und Abgasverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Abgasrückführungseinrichtung 10 umfasst eine Rückführleitung 11, die stromab des Partikelfilters 7 vom Abgasstrang 4 verzweigt und zwischen dem Luftfilter 9 und dem Verdichter 5 in den Ansaugtrakt 6 mündet. In der Rückführleitung 11 befindet sich ein einstellbares Rückführventil 12 sowie ein Abgaskühler 13, über den der rückgeführte Abgasmassenstrom auf niedrigere Temperaturen abgekühlt wird. Des Weiteren ist stromab des Abgaskühlers 13 ein Zyklonabscheider 14 in die Rückführleitung 11 integriert, wobei über den Zyklonabscheider 14 im Abgasmassenstrom mitgeführte Partikel abgeschieden werden. Dies erfolgt durch die Trägheitskräfte der Partikel, wodurch diese sich im Zyklonabscheider 14 anlagern, wohingegen das Abgas über den Reinluftauslass 18 des Zyklonabscheiders 14 in den Ansaugtrakt 6 weitergeleitet wird. Zur Verbesserung des Abscheidegrads findet eine Kondensation von Feuchtigkeit um Schmutzpartikel im rückgeführten Abgasmassenstrom stromab des Gaskühlers 13 statt. Dadurch erhalten die Partikel ein erhebliches höheres Gewicht, was die Abscheidung im Zyklonabscheider verbessert.
Für eine weitere Steigerung des Abscheide-Wirkungsgrades ist eine Gasleitung 15 vorgesehen, welche stromab des Luftfilters 9, jedoch stromauf der Mündungsstelle der Rückführleitung 11 in den Ansaugtrakt 6 von diesem verzweigt und in einen Mischer 17 einmündet, der sich in der Rückführleitung 11 zwischen dem Abgaskühler 13 und dem Zyklonabscheider 14 befindet. Über die Gasleitung 15 wird angesaugte Umgebungsluft, welche im Luftfilter 9 gefiltert wurde, aus dem Ansaugtrakt 6 rückgeführt und im Bereich des Mischers 17 in die Rückführleitung 11 geleitet und dort mit dem rückgeführten Abgasmassenstrom vermischt. Dadurch sinkt die Temperatur des Abgases weiter ab, wodurch in weiteren Betriebsbereichen der Taupunkt unterschritten werden kann und eine bessere Kondensation von Feuchtigkeit an den Partikeln im Abgasmassenstrom erreicht wird. In der Folge ist auch der Abscheidegrad im Zyklonabscheider 14 verbessert.
In der Gasleitung 15 ist ein einstellbares Regelventil 16 angeordnet, um den Luftmassenstrom durch die Gasleitung 15 einzustellen. Es ist insbesondere vorgesehen, den Anteil des Luftmassenstroms durch die Gasleitung 15 in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine festzulegen. Der rückgeführte Gasmassenstrom hängt vorteilhafterweise vom aktuellen Lastzustand und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab, vorzugsweise in der Weise, dass bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen der Luftmassenstrom durch die Gasleitung 15 reduziert ist, gegebenenfalls bis auf Null, und bei höheren Lasten bzw. Drehzahlen erhöht ist.
Gemäß einer alternativen Ausführung, die mit strichlierter Linie dargestellt ist, ist die Gasleitung 15 als separate Leitung ausgeführt, die nicht vom Ansaugtrakt verzweigt, sondern über die zusätzliches Gas, insbesondere Umgebungsluft in die Rückführleitung einzuleiten ist, wobei gegebenenfalls ein zusätzlicher Luftfilter 19 in die Gasleitung 15 integriert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2199585 A1 [0002]

Claims

Abgasrückführungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine (1), mit einer Rückführleitung (11), die von einem Abgasstrang (4) der Brennkraftmaschine (1) abzweigt und in einen Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) einmündet, mit einem in der Rückführleitung (11) angeordneten Abscheiderbauteil (14), dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Abscheiderbauteils (14) eine Gasleitung (15) in die Rückführleitung (11) einmündet, wobei über die Gasleitung (15) zusätzliches Gas, insbesondere Luft zuführbar ist.
Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasleitung (15) ein einstellbares Regelventil (16) angeordnet ist.
Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) ein Mischerbauteil (17) angeordnet ist, in das die Gasleitung (15) mündet.
Abgasrückführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiderbauteil als ein Zyklonabscheider (14) ausgebildet ist.
Abgasrückführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) stromauf des Abscheiderbauteils (14) ein Abgaskühler (13) angeordnet ist.
Abgasrückführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) stromauf des Abscheiderbauteils (14) ein regelbares Rückführventil (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2) mit einem Verdichter (5) versehen ist, wobei die Rückführleitung (11) stromab einer Abgasturbine (3) vom Abgasstrang (4) abzweigt und stromauf des Verdichters (5) in den Ansaugtrakt (6) einmündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung (15) stromab eines Luftfilters (9) im Ansaugtrakt (6) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die Gasleitung (15) separat vom Ansaugtrakt (6) zusätzliches Gas in die Rückführleitung (11) einzuleiten ist.
Verfahren zum Betrieb einer Abgasrückführungseinrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der über die Gasleitung (15) zuzuführende Luftmassenstrom von dem aktuellen Lastzustand bzw. der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zuzuführende Luftmassenstrom bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen reduziert und bei höheren Lasten bzw. Drehzahlen erhöht ist.