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Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors sowie einen eine solche Stellvorrichtung aufweisenden Abgasstrang.
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Es ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 056 955 A1 bekannt, den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors von beispielsweise einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasrückführung zu versehen, um in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors diesem auf der Ladeseite nicht nur Luft bzw. ein Luft-Kraftstoff-Gemisch sondern gleichzeitig auch damit vermischtes Abgas zuzuführen. Dies erfolgt insbesondere mit dem Ziel, die Verbrennungsspitzentemperaturen in den Zylindern des Verbrennungsmotors gering zu halten, um eine zu starke Ausbildung von Stickoxiden zu vermeiden. Eine Abgasrückführung führt zu geringeren Verbrennungsspitzentemperaturen, da das bereits einmal an einer Verbrennung teilgenommene Abgas an einer erneuten Verbrennung nicht teilnehmen kann, wodurch im Ergebnis die Zylinder mit weniger brennbarem Gasgemisch gefüllt werden.
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Da eine Abgasrückführung nur in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors erfolgen soll und dann auch in unterschiedlichem Ausmaß, ist der Einsatz eines Abgasrückführungsventils erforderlich, über den die Menge des aus dem Abgasstrang abgezweigten und der Ladeluft bzw. dem Ladegasgemisch zugeführten Abgases gesteuert wird.
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Häufig wird eine Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren vorgesehen, die über einen Turbolader aufgeladen sind. Die Abzweigung für die Abgasrückführung in dem Abgasstrang ist dabei regelmäßig hinter der Turbine des Turboladers angeordnet. Durch die Entspannung in der Turbine des Turboladers weist das Abgas daher einen relativ niedrigen Druck auf. Dieser Druck kann teilweise zu gering sein, um eine funktionierende Abgasrückführung zu der Ladeseite des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Es ist daher bekannt, über eine sogenannte Abgasklappe, die hinter der Abzweigung für die Abgasrückführung in den Abgasstrang integriert ist, eine mehr oder weniger große Drosselung des nicht abgezweigten Abgases zu erreichen, mit dem Ziel, den Druck des Abgases im Bereich der Abzweigung zu erhöhen.
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Der für die Abgasrückführung vorgesehene Abgasstrom wird regelmäßig über einen Abgasrückführungskühler geführt, so dass das Abgas mit einer relativ geringen Temperatur der Ladeseite des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Dadurch kann die Füllung der Zylinder des Verbrennungsmotors verbessert und der Verdichter des Turboladers vor zu hohen Temperaturen geschützt werden.
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In bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise beim Warmlaufen des Verbrennungsmotors ist jedoch eine Abkühlung des rückgeführten Abgases regelmäßig nicht erwünscht. Es ist daher bekannt, einen Bypass vorzusehen, über den der Abgasrückführungskühler umgangen wird. Das bedarfsweise Öffnen und Verschließen des Bypasses erfolgt dabei regelmäßig über ein separates Ventil.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufwand für die Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stellvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. durch einen eine solche Stellvorrichtung aufweisenden Abgasstrang gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Abgasstrangs sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die betriebsabhängige Steuerung der in Verbindung mit der Abgasrückführung stehenden Abgasführung, d. h. die Steuerung der Menge des über den Abgasrückführungskühler sowie den diesen Abgasrückführungskühler umgehenden Bypass und zudem die Drosselung des nicht über die Abgasrückführung geführten Abgases über ein einzelnes Ventilelement zu erreichen.
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Hierfür ist erfindungsgemäß eine Stellvorrichtung vorgesehen, die ein Gehäuse aufweist, das einen Einlass für das Abgas sowie mindestens drei Auslässe für das Abgas aufweist, wobei ein erster der Auslässe für den Anschluss an eine Abgasanlage, über die das Abgas abschließend abgeführt und regelmäßig in die Atmosphäre entlassen wird, ein zweiter der Auslässe für einen Anschluss an einen Bypass zur Umgehung eines Abgasrückführungskühlers und ein dritter Auslass für den Anschluss an den Abgasrückführungskühler vorgesehen ist. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes, verstellbares Ventilelement auf, über das eine Verbindung zwischen dem Einlass und einem oder mehreren der Auslässe – in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der entsprechenden Verstellung des Ventilelements – erreicht wird. Hierbei ist das Ventilelement ausgehend von einer ersten Betriebsstellung, in der dieses eine Verbindung zwischen dem Einlass und dem ersten Auslass unter Absperrung des zweiten und dritten Auslasses bewirkt, (vorzugsweise stufenlos) verstellbar, wobei über diese Verstellung eine zunehmende Verkleinerung des freien Öffnungsquerschnitts des ersten Auslasses ggf. hin bis zu einer vollständigen Absperrung des ersten Auslasses bei gleichzeitig zunehmender Vergrößerung des freien Öffnungsquerschnitts von zunächst dem zweiten und dann dem dritten Auslass bewirkt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer Stellvorrichtung für den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors ist es möglich, mit einem einzelnen Ventilelement die vollständige Steuerung der Abgasrückführung in den verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu erreichen. Während in der ersten Betriebsstellung des Ventilelements, in der dieses eine Verbindung zwischen dem Einlass und dem ersten Auslass unter Absperrung des zweiten und dritten Auslasses bewirkt, keine Abgasrückführung erfolgt, kann durch die zunehmende Verstellung des Ventilelements die Menge des rückgeführten Abgases beliebig eingestellt werden, während gleichzeitig durch eine zunehmende Verkleinerung des freien Öffnungsquerschnitts des ersten Auslasses mittels des Ventilelements eine Drosselung des nicht rückgeführten Abgases erreicht wird.
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Unter „Absperrung” wird erfindungsgemäß das Verhindern einer direkten gasleitenden Verbindung mit dem Einlass verstanden.
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Unter „freier Öffnungsquerschnitt” wird erfindungsgemäß derjenige Teil eines (Gesamt-)Öffnungsquerschnitts verstanden, der mit dem Einlass direkt in Verbindung steht.
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Eine konstruktiv einfache und insbesondere auch robuste Ausbildung eines Ventilelements kann vorsehen, dieses in Form eines Flügels, d. h. als flächiges Bauteil, auszubilden, das innerhalb eines zylindrischen Abschnitts des Gehäuses angeordnet ist, wobei für eine Verstellung des Ventilelements dieses – vorzugsweise um die Längsachse des zylindrischen Gehäuses – drehbar gelagert ist.
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Ein wesentlicher Vorteil eines solchen flügelförmigen Ventilelements, das drehbar in einem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses der Stellvorrichtung gelagert ist, liegt in der einfachen und effektiven Möglichkeit zur Abdichtung der zwischen dem Ventilelement und der Innenseite des Gehäuses ausgebildeten Spalte. Hierzu kann das Ventilelement an zumindest einer, vorzugsweise an allen seiner Kanten mit einem Dichtelement versehen sein. Dieses kann vorzugsweise als elastisch ausgebildete oder elastisch gelagerte Dichtschiene vorgesehen sein.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass durch eine kontinuierliche Verstellung des Ventilelements eine lineare Vergrößerung des von dem Ventilelement freigegebenen Öffnungsquerschnitts des zweiten und/oder dritten Auslasses erreicht wird. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass der Öffnungsquerschnitt des zweiten und/oder dritten Auslasses entsprechend (z. B. dreieckig oder ähnlich) ausgebildet ist.
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Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass der Öffnungsquerschnitt des zweiten Auslasses kleiner als derjenige des dritten Auslasses ist. Dadurch kann erreicht werden, dass auch bei voll geöffneter Abgasrückführung nur ein relativ kleiner Teil des Abgases über den Bypass geführt wird.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, weist eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung sowie mindestens einen mit dem ersten Auslass verbundene Abgasanlage, einen mit dem dritten Auslass verbundenen Abgasrückführungskühler sowie einen mit dem zweiten Auslass verbundenen Bypass zur Umgehung des Abgasrückführungskühlers auf.
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Sofern die erfindungsgemäße Stellvorrichtung in dem Abgasstrang eines Dieselmotors zum Einsatz kommt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, diese hinter dem Dieselpartikelfilter in den Abgasstrang zu integrieren. Demnach ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Einlass der Stellvorrichtung mit einem Auslass eines solchen Dieselpartikelfilters verbunden ist.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, in den erfindungsgemäßen Abgasstrang einen Mengenstromsensor (d. h. Massen- oder Volumenstromsensor) zu integrieren, über den die Menge des durch den Abgasrückführungskühlers und/oder den Bypass strömenden Abgases bestimmt wird. Die Messwerte dieses Mengenstromsensors können dann dazu herangezogen werden, einen Stellmotor für das Ventilelement anzusteuern, um dieses entsprechend zu verstellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Abgasstrang;
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2 in einer isometrischen Ansicht einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung in einer ersten Betriebsstellung;
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3 die Stellvorrichtung gemäß 2 in einer zweiten Betriebsstellung;
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4 die Stellvorrichtung gemäß 2 in einer dritten Betriebsstellung; und
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5 einen Querschnitt durch die Stellvorrichtung gemäß 4 in einer die Rotationsachse des Ventilelements umfassenden Ebene.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgasstrang für das Abgas eines Verbrennungsmotors 10, konkret eines Dieselmotors, eines Kraftfahrzeugs. Das Abgas verlässt den Verbrennungsmotor 10 und strömt zunächst durch eine Turbine 12 eines Abgasturboladers, in dem das unter relativ hohem Druck aus dem Verbrennungsmotor 10 austretende Abgas entspannt wird. Die dabei frei werdende Energie wird von der Turbine 12 über eine Welle 14 auf einen Verdichter 16 des Abgasturboladers übertragen, mit dem die Ladeluft des Verbrennungsmotors verdichtet wird, um die spezifische Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern. Nachdem das Abgas die Turbine 12 des Abgasturboladers durchströmt hat, wird diese durch einen Dieselpartikelfilter 18 geführt. Von dort strömt das Abgas zu einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 20, wie sie in einer Ausführungsform detailliert in den 2 bis 5 dargestellt ist.
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In der Stellvorrichtung 20 wird das Abgas in Abhängigkeit von der Betriebsstellung der Stellvorrichtung über einen oder mehrere von insgesamt drei Auslässen zu einer Abgasanlage 22, die insbesondere aus einem oder mehreren Schalldämpfern (nicht dargestellt) bestehen kann, geführt und dann in die Atmosphäre ausgeblasen oder in den Ladeluftstrom rückgeführt. Die Abgasrückführung erfolgt dabei entweder über einen Abgasrückführungskühler 24 (vorzugsweise ein konventioneller I-längsdurchströmter Abgasrückführungskühler) oder einen Bypass 26, der diesen umgeht. Sowohl das über den Abgasrückführungskühler 24 als auch durch den Bypass 26 rückgeführte Abgas wird dann über einen Massenstromsensor 28 geführt, in dem die Menge des rückgeführten Abgases bestimmt und dieser Messwert einer Motorsteuerung (nicht dargestellt) zugeführt und u. a. zur Steuerung der Stellvorrichtung 20 herangezogen wird. Das rückgeführte Abgas wird dann mit der Frischluft bzw. einem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch vermischt und dann dem Verdichter des Abgasturboladers zugeführt.
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Eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung 20, wie sie beispielsweise in dem Abgasstrang gemäß der 1 eingesetzt werden kann, ist in den 2 bis 5 dargestellt.
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Die Stellvorrichtung 20 umfasst ein Gehäuse, mit einem zylindrischen Grundgehäuse 30, an das sich insgesamt vier Anschlussstutzen anschließen, über den die Stellvorrichtung 20 in den Abgasstrang integriert werden kann. Ein erster Anschlussstutzen dient als Einlass 32 für das Abgas. Über einen zweiten Anschlussstutzen ist die Stellvorrichtung 20 mit der Abgasanlage 22 des. Abgasstrangs verbunden. Dieser dient als erster Auslass 34 für das Abgas. Ein dritter Anschlussstutzen dient einem Anschluss an den Bypass 26, mit dem der Abgasrückführungskühler 24 umgangen wird. Dieser Anschlussstutzen stellt einen zweiten Auslass 36 der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 20 dar. Über einen dritten Anschlussstutzen ist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung 20 mit dem Abgasrückführungskühler 24 verbunden. Dieser dient als dritter Auslass 38 der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 20. Die Führung des Abgases innerhalb der Stellvorrichtung 20. d. h. die Zuleitung des über den Einlass 32 in das Gehäuse eintretenden Abgases zu einem oder mehreren der Auslässe 34, 36, 38 wird über ein flügelförmiges Ventilelement 40 gesteuert. Dieses, als ebenes, rechteckiges Bauteil ausgeführte Ventilelement 40 ist über eine (nicht dargestellte) Welle, die koaxial zu der Längsachse des zylindrischen Grundgehäuses 30 angeordnet ist, drehbar gelagert. Die Verstellung des Ventilelements 40 erfolgt dabei über einen (nicht dargestellten) elektrischen Stellmotor, der von der Motorsteuerung angesteuert wird.
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Die 2 zeigt eine Stellung des Ventilelements 40, in der keine Abgasrückführung erfolgt. Das durch den Einlass 32 eintretende Abgas wird weitgehend vollständig von dem Ventilelement 40 zu dem ersten Auslass 34 geführt, indem dieses über die Abgasanlage 22 in die Atmosphäre ausgeblasen wird. Das Ventilelement 40 verhindert dabei eine Verbindung zwischen dem Einlass 32 für das Abgas und den beiden für die Abgasrückführung vorgesehenen Auslässen 36, 38. Durch eine Verdrehung des Ventilelements 40 entgegen dem Uhrzeigersinn kann die erfindungsgemäße Stellvorrichtung 20 in Richtung einer zunehmenden Abgasrückführung verstellt werden.
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In der 3 ist eine Betriebsstellung des Ventilelements 40 dargestellt, in der die entsprechende (Steuer-)Kante des Ventilelements 40 bereits einen Abschnitt der Querschnittsfläche des zweiten Auslasses 36 überfahren hat und diese Querschnittsfläche somit für eine Verbindung mit dem Einlass 32 freigibt. Ein definierter, von der freigegebenen Querschnittsfläche des zweiten Auslasses 36 abhängiger Teil des Abgases wird somit im Rahmen einer sogenannten ungekühlten Niederdruckabgasrückführung über den Bypass 26 der Ladeluft des Verbrennungsmotors 10 zugeführt. Der sich dabei einstellende Massenstrom ist ein Funktion aus den Abgaseintrittsgrößen (p, T, ☐Abgas) in die Stellvorrichtung 20, dem Stellung des Ventilelements 40 und der Form der Querschnittsfläche.
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Aus der 3 wird auch ersichtlich, dass durch eine Verstellung des Ventilelements 40 in Richtung einer zunehmenden Abgasrückführung gleichzeitig eine Verengung der Querschnittsfläche des mit der Abgasanlage verbundenen ersten Auslasses verbunden ist. Diese Verengung der Querschnittsfläche des ersten Auslasses 34 führt zu einer Drosselwirkung und daraus folgend zu einer Erhöhung des Staudrucks im Inneren des mit dem Einlass verbundenen Teils des Gehäuses. Dadurch kann sichergestellt werden, dass trotz des grundsätzlich relativ niedrigen Drucks des zuvor in der Turbine 12 des Abgasturboladers entspannten Abgases eine ausreichende Menge des Abgases über den freigegebenen Querschnitt des zweiten 36 bzw. auch des dritten Auslasses 38 rückgeführt werden kann.
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Bei der in den 2 bis 5 dargestellten Stellvorrichtung 20 wird durch die besondere Form des Ventilelements 40 und insbesondere der Öffnungsquerschnitte des zweiten 36 und dritten Auslasses 38 erreicht, dass – in Abhängigkeit von dem Verstellwinkel des Ventilelements 40 und somit von dem Verstellweg der den Öffnungsquerschnitt des zweiten 36 und dritten Auslasses 38 freigebenden Steuerkante des Ventilelements 40 – die Öffnungsquerschnitte der Auslässe 36, 38 für die Abgasrückführung linear zunehmend freigegeben werden und gleichzeitig eine zunehmende Drosselung durch eine Verkleinerung der freien Querschnittsfläche des ersten Auslasses 34 erreicht wird. Hierzu ist der Öffnungsquerschnitt des zweiten Auslasses 36 nierenförmig ausgebildet, wobei die größere der Halbachsen gegenüber der Rotationsachse des Ventilelements geneigt angeordnet ist (vgl. 5). Der Öffnungsquerschnitt des dritten Auslasses 38 ist dagegen im weiteren Sinn dreieckig (mit abgerundeten Ecken) ausgebildet, wobei eine der Seiten bogenförmig verläuft.
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Die 4 zeigt die erfindungsgemäße Stellvorrichtung 20 in einer dritten Betriebsstellung des Ventilelements 40. Zum Erreichen dieser Betriebsstellung wurde das Ventilelement 40 so weit entgegen dem Uhrzeigersinn verstellt, dass die entsprechende Steuerkante des Ventilelements 40 den ersten Auslass 34 vollständig überfahren hat und das Ventilelement 40 somit eine Verbindung des Einlasses 32 zu dem ersten Auslass 34 verhindert. Gleichzeitig hat die gegenüberliegende Steuerkante die Querschnittsfläche des zu dem Bypass 26 führenden zweiten Auslasses 36 bereits vollständig und die Querschnittsfläche des dritten Auslasses, der zu dem Abgasrückführungskühler 24 führt, teilweise freigegeben. In dieser Betriebsstellung erfolgt somit eine Rückführung eines ggf. sehr hohen Anteils des Abgases, denn ein Abströmen von Abgas über den ersten Auslass 34 kann nur noch durch eine Umströmung des Ventilelements 40 im Bereich des dritten Auslasses erfolgen. Über das Verhältnis der freigegebenen Querschnittsflächen des zweiten 36 und des dritten Auslasses 38 ist einstellbar, welche Anteile des rückgeführten Abgases über den Bypass 26 bzw. über den Abgasrückführungskühler 24 geführt werden sollen. Diese (relativen) Anteile sind verstellbar, indem durch eine weitere Verstellung des Ventilelements 40 (entgegen dem Uhrzeigersinn) ein größerer oder kleinerer Anteil der Querschnittsfläche des dritten Auslasses 38 für eine Verbindung mit dem Einlass 32 freigegeben wird.
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Eine Rückführung eines sehr hohen Anteils oder auch eine vollständige Abgasrückführung, wie sie von der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ermöglicht wird, ist in der Regel für den Betrieb des Verbrennungsmotors nicht erforderlich bzw. sinnvoll. Eine solch hohe Abgasrückführung kann jedoch in Verbindung mit einer thermischen Rekuperation sinnvoll sein, um das Abgas in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors über einen Wärmetauscher zur weiteren Nutzung der dabei übertragenen Wärmeenergie zu führen. Auch in einem solchen thermischen Rekuperationssystem kann die erfindungsgemäße Stellvorrichtung sinnvoll eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Turbine
- 14
- Welle
- 16
- Verdichter
- 18
- Dieselpartikelfilter
- 20
- Stellvorrichtung
- 22
- Abgasanlage
- 24
- Abgasrückführungskühler
- 26
- Bypass
- 28
- Massenstromsensor
- 30
- Grundgehäuse
- 32
- Einlass
- 34
- erster Auslass
- 36
- zweiter Auslass
- 38
- dritter Auslass
- 40
- Ventilelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056955 A1 [0002]
