-
TECHNISCHES GEBIET
-
Diese Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik und insbesondere auf Abgasrückführung in Kraftfahrzeugmotor-Systemen.
-
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein geladener Motor kann höhere Verbrennungs- und Austrittstemperaturen aufweisen als ein Saugmotor mit äquivalenter Ausgangsleistung. Solche höheren Temperaturen können die Emissionen von Stickoxiden (NOX) erhöhen und eine beschleunigte Materialalterung im Motor und der zugehörigen Abgasanlage verursachen. Abgasrückführung (Exhaust-gas recirculation; EGR) ist eine Herangehensweise, um gegen diese Effekte vorzugehen. EGR-Strategien reduzieren den Sauerstoffgehalt der Ansaugluftladung durch Verdünnen mit Abgas. Wenn das verdünnte Luft-Abgas-Gemisch anstelle von gewöhnlicher Luft verwendet wird, um die Verbrennung im Motor zu unterstützen, resultieren daraus niedrigere Verbrennungs- und Austrittstemperaturen. EGR verbessert auch die Kraftstoffnutzung bei Benzinmotoren, indem Drosselverluste und Wärmeabgabe reduziert werden.
-
Bei einem geladenen Motorsystem, das mit einem Turbolader-Kompressor und einer Turbine ausgerüstet ist, kann Abgas durch eine Hochdruck-(HP)-EGR-Schleife oder eine Niederdruck-(LP)-EGR-Schleife rezirkuliert werden. Bei der HP-EGR-Schleife wird das Abgas vor der Turbine angesaugt und mit der Ansaugluft nach dem Kompressor gemischt. Bei der LP-EGR-Schleife wird das Abgas nach der Turbine angesaugt und mit der Ansaugluft vor dem Kompressor gemischt. HP- und LP-EGR-Strategien erreichen optimale Effizienz in unterschiedlichen Bereichen des Motorlast-Drehzahl-Kennfeldes. Beispielsweise ist bei geladenen Benzinmotoren mit stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen HP-EGR bei Niedriglasten wünschenswert, wo das Ansaugvakuum ein großes Strömungspotenzial bereitstellt; LP-EGR ist bei höheren Lasten wünschenswert, wo die LP-EGR-Schleife das größere Strömungspotenzial bereitstellt. Verschiedene andere Kompromisse zwischen den zwei Strategien existieren ebenso, sowohl für Benzin- als auch für Dieselmotoren. Eine solche Komplementarität hat Maschinenbauingenieure dazu motiviert, EGR-Systeme in Betracht zu ziehen, die sowohl eine HP-EGR-Schleife als auch eine LP-EGR-Schleife aufweisen.
-
Um eine geeignete Steuerung von EGR-Verdünnungsniveaus und den Schutz der Verbrennungsstabilität zu ermöglichen, wird das zurückgeführte Abgas mit der Ansaugluftladung beispielsweise über einen EGR-Mischer homogenisiert. Jedoch erdulden einige EGR-Mischer einen Kompromiss zwischen effektiver Homogenisierung einerseits und übermäßiger Luftstrombeschränkung andererseits. Mit anderen Worten verursachen die Strömungselemente, die ebenso effektive Homogenisierung bereitstellen, auch das Hereinziehen der Ansaugluftströmung, was den Gesamtwirkungsgrad reduziert. Im umgekehrten Fall könnten EGR-Mischer, die minimalen Zug aufweisen, keine hinreichende Homogenisierung bei jeder Mischstelle und Betriebsbedingung bereitstellen. Der EGR-Mischer, der beispielsweise im
US-Patent 7.568.340 beschrieben ist, kann relativ wenig Ansaugluftströmungsbegrenzung aufweisen. Jedoch ist dieser Mischer zur Verwendung in einer LP-EGR-Schleife konfiguriert, wo der lange Strömungspfad und die Kompressoraktion eine weitere Homogenisierung bereitstellen, wodurch die Leistungsanforderung beim Mischer reduziert wird.
-
Die Erfinder haben diese Probleme erkannt und eine Reihe von Herangehensweisen ausgearbeitet, um sie zu adressieren. Deshalb stellt eine Ausführungsform dieser Offenlegung einen EGR-Mischer bereit, der einen vorgeschalteten Leitungsabschnitt umfasst, welcher einen verkürzenden Strömungsbereich in einer Luftströmungsrichtung durch den Mischer aufweist, einen nachgeschalteten Leitungsabschnitt, der einen sich ausdehnenden Strömungsbereich in Richtung des Luftstroms durch den Mischer aufweist, einen Schlitz, der im nachgeschalteten Leitungsabschnitt gebildet ist, um Abgas in den Luftstrom einzulassen, und eine abrupte strömungserweiternde Furche, die zwischen den vor und nachgeschalteten Leitungsabschnitten angeordnet ist. Mit einem auf diese Weise konfigurierten EGR-Mischer kann zurückgeführtes Abgas effektiv in eine Ansaugluftströmung mit reduziertem Zug homogenisiert werden. Beispielsweise kann der vor- und nachgeschaltete Leitungsabschnitt ermöglichen, dass erhöhte EGR-Strömung in den Luftstrom gezogen wird, wobei die abrupte Furche dazu dient, das Mischen der EGR im Luftstrom zu erhöhen.
-
Es ist zu verstehen, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in einer vereinfachten Form eine Auswahl an Konzepten einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weitergehend beschrieben werden. Es ist nicht beabsichtigt, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu bestimmen, deren Umfang durch die Ansprüche definiert wird, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Weiter ist der beanspruchte Gegenstand nicht beschränkt auf Implementierungen, die irgendwelche hier angemerkten Nachteile lösen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 und 2 zeigen schematisch Aspekte von beispielhaften Motorsystemen gemäß Ausführungsformen dieser Offenlegung.
-
3 und 4 zeigen Aspekte von Beispiel-EGR-Mischern in Übereinstimmung mit Ausführungsformen dieser Offenlegung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Der Gegenstand dieser Offenbarung wird jetzt beispielhaft und unter Bezugnahme auf die veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben. Komponenten, Prozessschritte und andere Elemente, die im Wesentlichen bei einer oder mehreren Ausführungsformen gleich sein können, werden koordiniert bestimmt und mit minimaler Wiederholung beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass Elemente, die koordiniert bestimmt werden, sich auch zu einem gewissen Grad unterscheiden können.
-
1 zeigt schematisch die Aspekte eines beispielhaften Motorsystems 10 bei einer Ausführungsform. Bei Motorsystem 10 ist der Luftfilter 12 mit dem Einlass des Kompressors 14 gekoppelt. Der Luftfilter führt Frischluft von der Umgebung ein und versorgt den Kompressor mit gefilterter Frischluft. Der Kompressor kann irgendein geeigneter Ansaugluftkompressor sein – wie z. B. ein über den Motor oder die Antriebswelle angetriebener Lader-Kompressor. In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform ist der Kompressor jedoch ein Turbolader-Kompressor, der mechanisch mit der Turbine 16 gekoppelt ist, wobei die Turbine durch sich ausdehnende Motorabgase vom Auslasskrümmer 18 angetrieben wird. Auspuffventil 20 ist über den Kompressor vom Auslass zum Einlass gekoppelt. Wenn das Auspuffventil geöffnet ist, kann etwas oder die gesamte komprimierte Luftfüllung nach dem Kompressor an einen Ort nach dem Kompressor entladen werden. Diese Maßnahme kann man unternehmen, um beispielsweise ein Pumpen des Kompressors abzuwenden oder abzubauen. Bei einer Ausführungsform können der Kompressor 14 und die Turbine 16 innerhalb eines Zwillingstriebkranz-Turboladers gekoppelt sein. Bei einer weiteren Ausführungsform können der Kompressor und die Turbine innerhalb eines Turboladers mit variabler Geometrie (VGT) gekoppelt sein, wo die Turbinengeometrie aktiv als eine Funktion der Motordrehzahl variiert wird. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann das Auspuffventil des Kompressors zwischen unterschiedlichen Orten des Motorsystems gekoppelt sein.
-
Bei Motorsystem 10 ist der Auslass des Kompressors 14 mit dem Ladeluftkühler (CAC) 22A gekoppelt. Bei einer Ausführungsform ist der Ladeluftkühler ein Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher, der konfiguriert ist, die komprimierte Luftfüllung auf Temperaturen zu kühlen, die für den Eintritt in den Ansaugkrümmer 24 geeignet sind. Zu diesem Zweck kann der CAC flüssige Kühlflüssigkeit durch eine geschlossene Schleife zirkulieren, die auch Motorenzylindermäntel und einen Kühler enthält. Die überschüssige Wärme von der komprimierten Luftfüllung kann mit der Kühlflüssigkeit vereinigt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der CAC ein Luft-Wärme-Austauscher sein. Durch das Drosselventil 26 und den EGR-Mischer 28 (siehe unten) ist der Auslass des CAC mit dem Ansaugkrümmer gekoppelt.
-
Ansaugkrümmer 24 und Auslasskrümmer 18 sind mit einer Serie von Brennräumen 30 durch eine Serie von Ansaugventilen 32 und Auslassventilen 34 gekoppelt. Bei einer Ausführungsform kann jedes der Einlass- und Auslassventile elektronisch betätigt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann jedes der Einlass- und Auslassventile durch Nocken betätigt werden. Ungeachtet ob elektronisch betätigt oder nockenbetätigt kann die Zeitsteuerung der Einlassventil- und Auslassventilöffnung und -schließung wie erforderlich für die wünschenswerte Verbrennung und Emissionsüberwachungsgüte angepasst werden. Insbesondere kann die Ventilsteuerung angepasst werden, sodass die Verbrennung initiiert wird, wenn eine wesentliche Abgasmenge von einer vorhergehenden Verbrennung noch in einem oder mehreren Brennräumen vorhanden ist. Eine derart angepasste Ventilsteuerung kann einen „internen EGR”-Modus ermöglichen, der nützlich ist, um Maximalverbrennungstemperaturen unter ausgewählten Betriebsbedingungen zu reduzieren. Bei einigen Ausführungsformen kann eine angepasste Ventilsteuerung zusätzlich zu „externen EGR”-Modi, wie sie hier im Folgenden beschrieben sind, verwendet werden.
-
1 zeigt die Steuerelektronik 36. Bei Ausführungsformen, wo ein Einlass- oder Auslassventil von Motorsystem 10 konfiguriert ist, um gemäß einer einstellbaren Zeitsteuerung zu öffnen und zu schließen, kann die einstellbare Zeitsteuerung durch die Steuerelektronik gesteuert werden, um eine Abgasmenge zu regulieren, die in einem Brennraum zur Zeit des Zündens vorhanden ist. Um Betriebsbedingungen im Zusammenhang mit verschiedenen Kontrollfunktionen des Motorsystems zu beurteilen, kann die Steuerelektronik operativ mit einer Vielzahl von Sensoren gekoppelt sein, die im Motorsystem angeordnet sind – Strömungssensoren, Temperaturfühler, Pedalstellungssensoren, Drucksensoren usw.
-
In den Brennräumen 30 kann die Verbrennung über Funkenzündung und/oder Kompressionszündung mit irgendeiner Variante eingeleitet werden. Weiter können die Brennräume mit irgendeinem aus einer Vielzahl von Kraftstoffen versorgt werden: Benzin, Alkohole, Diesel, Biodiesel, komprimiertes Erdgas usw. Der Kraftstoff kann den Brennräumen über Direkteinspritzung, Saugkanaleinspritzung, Niederdruckeinspritzung oder irgendeine Kombination davon bereitgestellt werden.
-
Weiterführend ist in 1 HP-EGR-Kühler 38A nach dem Auspuffkrümmer 18 und vor der Turbine 16 gekoppelt. Der HP-EGR-Kühler ist ein Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher, der konfiguriert ist, das Abgas auf Temperaturen zu kühlen, die geeignet sind, um es in die komprimierte Luftfüllung zu mischen. Zu diesem Zweck kann der HP-EGR-Kühler Flüssigkeitskühlmittel durch eine geschlossene Schleife zirkulieren, die auch einen Kühler einschließt. Die überschüssige Wärme des Abgases kann mit dem Flüssigkeitskühlmittel vereinigt werden. Vom HP-EGR-Kühler strömt HP-Abgas durch das Dosierventil 40 zum EGR-Mischer 28. Genereller kann sich ein Dosierventil, um den HP-EGR-Durchsatz zu steuern, entweder vor oder nach dem HP-EGR-Kühler befinden. Weiter können eine Kühlerbypassleitung und ein Ventil eingeschlossen sein, um eine parallele HP-EGR-Schleife bereitzustellen, die keine Wärme mit der Kühlflüssigkeit austauscht. Die Bypassleitung kann verwendet werden, um im Wesentlichen ungekühltes HP-Abgas zum Ansaugkrümmer strömen zu lassen. Wie hier weiter beschrieben, mischt der EGR-Mischer 28 das dosierte Abgas in die Ansaugluftladung. Vom Auslass des EGR-Mischers strömt die verdünnte Luftladung zum Ansaugkrümmer 24.
-
Das Motorsystem 10 umfasst das Abgasdruckventil 42, das über die Turbine 16 vom Einlass zum Auslass gekoppelt ist. Wenn ein reduziertes Turbinendrehmoment gewünscht ist, kann etwas Abgas vom Auspuffkrümmer 18 durch das Abgasdruckventil gelenkt und die Turbine umgangen werden. Die kombinierte Strömung von der Turbine und dem Abgasdruckventil fließt dann durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 44, 46 und 48. Die Art, Zahl und Anordnung der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen kann in den unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Offenlegung abweichen. Im Allgemeinen können die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen mindestens einen Katalysator enthalten, der konfiguriert ist, katalytisch die Abgasströmung zu behandeln und dadurch einen Betrag von einem oder mehreren Stoffen in der Abgasströmung zu reduzieren. Beispielsweise kann ein Katalysator konfiguriert sein, um NOX aus der Abgasströmung abzuscheiden, wenn die Abgasströmung mager ist, und das abgeschiedene NOX zu reduzieren, wenn die Abgasströmung fett ist. Bei anderen Beispielen kann ein Katalysator konfiguriert sein, NOX zu disproportionieren oder selektiv mithilfe von einem Reduktionsmittel zu reduzieren. Bei anderen Beispielen kann ein Katalysator konfiguriert sein, übrige Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid in der Abgasströmung zu oxidieren. Weiter kann mindestens eine der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen einen Vorkatalysator und/oder einen Dreiwege-Katalysator umfassen. Unterschiedliche Katalysatoren, die irgendeine solche Funktionalität aufweisen, können in Washcoats oder an anderer Stelle in den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen entweder separat oder zusammen angeordnet sein.
-
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen können einen regenerierbaren Rußfilter enthalten, der konfiguriert ist, Rußpartikel in der Abgasströmung abzuscheiden und zu oxidieren.
-
Weiterführend ist in 1 Schalldämpfer 50 nach den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen gekoppelt. Die gesamte behandelte Abgasströmung von den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen oder ein Teil davon kann über den Schalldämpfer in die Umgebung abgegeben werden. Abhängig von den Betriebsbedingungen kann jedoch etwas behandeltes Abgas stattdessen durch den LP-EGR-Kühler 38B gezogen werden. Der LP-EGR-Kühler ist ein Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher, der konfiguriert ist, das Abgas auf Temperaturen zu kühlen, die geeignet sind, um es in die Ansaugluftströmung zu mischen. Zu diesem Zweck kann der LP-EGR-Kühler Flüssigkeitskühlmittel durch eine geschlossene Schleife zirkulieren, die auch einen Kühler einschließt. Die überschüssige Wärme des Abgases kann mit dem Flüssigkeitskühlmittel vereinigt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der LP-EGR-Kühler ein Gas-Luft-Wärmetauscher sein. Das Dosierventil 52 ist nach dem LP-EGR-Kühler und vor dem Kompressor 14 gekoppelt und steuert den Durchsatz des LP-Abgases durch die LP-EGR-Schleife des Motorsystems. Vom Dosierventil 52 strömt LP-Abgas zum Einlass des Kompressors.
-
Ein oder mehrere aus Auspuffventil 20, Drosselventil 26, Dosierventile 40 und 52 und Abgasdruckventil 42 können elektronisch gesteuert und konfiguriert sein, auf den Befehl von Steuerelektronik 36 zu schließen und zu öffnen. Weiter kann eines oder mehrere dieser Ventile kontinuierlich einstellbar sein. Die Steuerelektronik kann operativ mit irgendeinem oder allen elektronisch gesteuerten Ventilen gekoppelt und konfiguriert sein, deren Öffnung, Schließung und/oder Anpassung wie erforderlich zu befehlen, um irgendwelche der hier beschriebenen Steuerfunktionen zu veranlassen.
-
Durch eine geeignete Steuerung der Dosierventile 40 und 52 und durch Anpassung der Zeitsteuerung des Abgas- und Ansaugventils (siehe oben), kann die Steuerelektronik 36 das Motorsystem 10 bei variierenden Betriebszuständen in die Lage versetzen, Ansaugluft zu den Brennräumen 30 zu liefern. Diese umfassen Zustände, wo EGR von der Ansaugluft ausgelassen oder intern jedem Brennraum bereitgestellt wird, Zustände, wo EGR von einer Entnahmestelle vor der Turbine 16 angesaugt und zu einer Mischstelle nach Kompressor 14 geliefert wird (HP-EGR), und Zustände, wo EGR von einer Entnahmestelle angesaugt wird, die der Turbine nachgeschaltet ist, und zu einer Mischstelle vor dem Kompressor geliefert wird (LP-EGR).
-
Die Aktivierung mehrfacher EGR-Modi in einem Motorsystem bietet mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann gekühlte LP-EGR für den Betrieb mit langsamer Geschwindigkeit verwendet werden. Hier schiebt die EGR-Strömung durch den Kompressor den Betriebspunkt von der Pumpgrenze weg. Die Turbinenleistung bleibt erhalten, da die EGR nach der Turbine angesaugt wird. Andererseits kann gekühlte HP-EGR für mittleren bis hohen Drehzahlbetrieb verwendet werden. Unter solchen Zuständen, wo das Abgasdruckventil 34 mindestens teilweise offen sein kann, vermindert das Ansaugen der EGR vor der Turbine nicht die Turboladerleistung, und da daher keine EGR durch den Kompressor angesaugt wird, kann die Betriebsmarge zwischen den Stopfen- und Höchstdrehzahlgrenzen aufrechterhalten werden.
-
Es wird offensichtlich, dass kein Aspekt von 1 dazu beabsichtigt ist, zu begrenzen. Insbesondere können Entnahme- und Mischstellen für die HP- und LP-EGR bei den unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Offenlegung abweichen. Während beispielsweise 1 LP-EGR zeigt, die nach der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 44 angesaugt wird, kann die LP-EGR bei anderen Ausführungsformen nach der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 48 oder vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 44 angesaugt werden. Andere Ausführungsformen können einen LP-EGR-Kühler oder eine LP-EGR-Schleife ermangeln. Noch weitere Ausführungsformen können eine HP-EGR-Schleife ermangeln. Bei noch einer weiteren Ausführungsform, kann ein EGR-Mischer in die LP-EGR-Schleife gekoppelt sein.
-
2 zeigt schematisch die Aspekte eines beispielhaften Motorsystems 54 bei einer Ausführungsform. Wie Motorsystem 10 schließt Motorsystem 54 eine HP-EGR-Schleife und eine LP-EGR-Schleife ein. Im Motorsystem 54 werden jedoch einige Komponenten der HP- und LP-EGR-Schleifen gemeinsam benutzt.
-
Das Motorsystem 54 schließt Hochtemperatur-(HT)-EGR-Kühler 38C ein. Der HT-EGR-Kühler kann irgendein geeigneter Wärmetauscher sein, der konfiguriert ist, eine HP- oder LP-Abgasströmung für die gewünschte Verbrennungs- und Emissionsüberwachungsleistung zu kühlen. Der HT-EGR-Kühler wird zwischen den HP- und den LP-EGR-Schleifen gemeinsam benutzt und kann dimensioniert sein, um eine geeignete Kühlung für die LP-EGR-Schleife bereitzustellen. Das EGR-Wechselventil 56 ist vor dem HT-EGR-Kühler gekoppelt. Bei einer Ausführungsform kann das EGR-Wechselventil ein Ventil mit zwei Zuständen sein, wobei in einem ersten Zustand das Ventil Abgas nach der Turbine zum HT-EGR-Kühler strömen lässt, aber das Strömen von Abgas vor der Turbine in den HT-EGR-Kühler blockiert; in einem zweiten Zustand blockiert das Ventil Abgas dabei nach der Turbine in den HT-EGR-Kühler zu strömen, lässt aber Abgas vor der Turbine in den HT-EGR-Kühler strömen. Bei einer Ausführungsform kann das EGR-Wechselventil eine Doppelbohrungs-Drosselklappenstruktur aufweisen.
-
Vom HT-EGR-Kühler 38C wird die gekühlte Abgasströmung in das EGR-Führungsventil 58 eingelassen. Das EGR-Führungsventil kann sowohl ein Strömungsdosieren als auch eine Strömungsauswahl ermöglichen, wo die gekühlte Abgasströmung dosiert und entweder zu einer HP-EGR-Mischstelle oder zu einer LP-EGR-Mischstelle geleitet wird. Bei der Ausführungsform, die in 2 gezeigt wird, dosiert und leitet das EGR-Führungsventil die gekühlte Abgasströmung zum CAC/EGR-Kühler 22B (eine HP-Mischstelle) oder zurück zum Einlass des Kompressors 14 (eine LP-Mischstelle). Bei einer Ausführungsform kann das EGR-Führungsventil ein Gleitkolben- oder Schieberventil sein, das von einem Elektromotor betätigt wird. Hier kann ein im Wesentlichen zylindrischer Kolben innerhalb eines zylindrischen Ventilkörpers gleiten, der geeignete Dichtungen aufweist. Die Positionsrückmeldung im Ventil oder in einem zugehörigen Ventilantrieb kann eine Closed-Loop-Durchflussregelung bei einigen Ausführungsformen ermöglichen.
-
Der CAC/EGR-Kühler 22B kann irgendein geeigneter Wärmetauscher sein, der konfiguriert ist, die komprimierte Luftfüllung auf Temperaturen zu kühlen, die für den Einlass in den Ansaugkrümmer 24 geeignet sind. Insbesondere kann der CAC/EGR-Kühler eine zweite Stufe der Kühlung für die HP-EGR-Schleife bewirken. Der CAC/EGR-Kühler kann konfiguriert sein, das Abgas auf niedrigere Temperaturen zu kühlen, als sie der HT-EGR-Kühler 48 aufweist – indem man beispielsweise eine Kühlflüssigkeit mit niedriger Temperatur zirkulieren lässt –, da die Kondensation von Wasserdampf in der HP-EGR-Schleife kein Risiko für das Kompressorsystem darstellt. Vom CAC/EGR-Kühler strömt die gekühlte verdünnte Luftfüllung zum Ansaugkrümmer.
-
In der beispielhaften Konfiguration von 2 teilen die HP- und LP-EGR-Schleifen einen gemeinsamen Strömungspfad zwischen EGR-Wechselventil 56 und EGR-Führungsventil 58. Deshalb kann ein gemeinsamer innerhalb dieser Strömungsschleife gekoppelter Strömungssensor EGR-Strömungsmessung für beide Schleifen bereitstellen. Dementsprechend schließt Motorsystem 54 Strömungssensor 60 ein, der nach HT-EGR-Kühler 38C und vor EGR-Führungsventil 58 gekoppelt ist. Der Strömungssensor kann einen Hitzdraht-Anemometer, eine Delta-Druckmessblende oder einen Venturi-Einsatz umfassen, der beispielsweise operativ mit der Steuerelektronik 36 gekoppelt ist. Bestimmte Vorteile entstehen aus der gemeinsamen Benutzung – d. h. der doppelten Verwendung – von mindestens einigen Komponenten zwischen den HP- und LP-EGR-Schleifen. Im Motorsystem 54 umfassen die gemeinsam benutzten EGR-Komponenten den HT-EGR-Kühler 38C, EGR-Strömungssensor 60, EGR-Auswahl- und Steuerventile und den Abschnitt der Leitung, die dazwischen verläuft. Durch eine gemeinsam benutzte Konfiguration anstatt einer redundanten Konfiguration dieser Komponenten kann eine signifikante Einsparung bei den Kosten und dem Gewicht des Motorsystems realisiert werden. Weiter kann die Konfiguration mit gemeinsamer Benutzung verglichen mit Konfigurationen, bei denen alle EGR-Komponenten redundant bereitgestellt werden, in weniger Engstand im Motorsystem resultieren. Des Weiteren kann die Closed-Loop-Regelung der EGR-Dosierung vereinfacht werden, wenn nur ein einzelner Sensor abgefragt werden muss, um den EGR-Durchsatz sowohl für die HP- als auch die LP-EGR-Schleife zu messen.
-
Um noch einen weiteren Vorteil zu veranschaulichen, wird angemerkt, dass das Motorsystem 54 und die Steuerelektronik 36 weiter für zusätzliche Betriebsarten konfiguriert sein können, wo EGR über eine Kombination oder Beigabe der hier beschriebenen Modi bereitgestellt wird. Beispielsweise kann durch die geeignete Positionierung des EGR-Führungsventils 58 und des EGR-Wechselventils 56 zurückgeführtes Abgas von einer HP-Entnahmestelle zu einer LP-Mischstelle geleitet werden. Diese Strategie kann unter einigen Betriebsbedingungen wünschenswert sein – um ein Pumpen im ersten Kompressor 14 zu vermeiden oder beispielsweise die EGR-Strömung zu verbessern.
-
3 zeigt im Querschnitt Aspekte des EGR-Mischers 28 bei einer Ausführungsform. Diese Zeichnung ist etwas schematisch und nicht notwendigerweise maßstäblich. 4 zeigt eine abgeschnittene perspektivische Ansicht der EGR-Mischer-Ausführungsform. Diese Zeichnung beruht auf einem Modell des EGR-Mischers und ist maßstabsgetreu. EGR-Mischer 28 schließt einen vorgeschalteten Leitungsabschnitt 62 ein, der einen sich verkürzenden Strömungsbereich in einer Luftströmungsrichtung durch den Mischer aufweist und einen nachgeschalteten Leitungsabschnitt, der einen sich ausdehnenden Strömungsbereich in Richtung auf den Luftstrom durch den Mischer 64 aufweist. Zusammen definieren die vorgeschalteten und nachgeschalteten Leitungsabschnitte eine innere Leitung.
-
Wie in 3 präsentiert die innere Leitung einen variierenden Querschnittsströmungsbereich, der zur Luftströmungsrichtung durch den Mischer senkrecht verläuft. In der veranschaulichten Ausführungsform verkürzt sich der Strömungsbereich durch den Mischer allmählich vom vorgeschalteten Ende der vorgeschalteten Leitung zur abrupten strömungserweiternden Furche. Beispielsweise kann der Strömungsbereich im vorgeschalteten Leitungsabschnitt an der abrupten strömungserweiternden Furche um 55 bis 65% niedriger sein als am vorgeschalteten Ende des vorgeschalteten Leitungsabschnitts. Es ist jedoch offensichtlich, dass die angeführten numerischen Werte und Bereiche nur Beispiele sind, und dass andere Werte und Bereiche ebenso denkbar sind. Weiter kann sich der Strömungsbereich durch den Mischer allmählich von der abrupten strömungserweiternden Furche bis zum nachgeschalteten Ende des nachgeschalteten Leitungsabschnitts ausdehnen. Beispielsweise kann der Strömungsbereich im nachgeschalteten Leitungsabschnitt am nachgeschalteten Ende des nachgeschalteten Leitungsabschnitts um 50 bis 60% größer sein als an der abrupten strömungserweiternden Furche. Deshalb kann mindestens ein Strömungsbereich des nachgeschalteten Leitungsabschnitts größer sein als ein Strömungsbereich des vorgeschalteten Leitungsabschnitts. An der abrupten strömungserweiternden Furche 66 dehnt sich der Strömungsbereich des nachgeschalteten Leitungsabschnitts zum Strömungsbereich des vorgeschalteten Leitungsabschnitts aus. Bei einer Ausführungsform kann sich der Strömungsbereich um 1 bis 10% an der Furche ausdehnen. Bei einer Ausführungsform kann die abrupte strömungserweiternde Furche eine Ebene definieren, wo der Strömungsbereich durch den Mischer am kleinsten ist. Auf diese Weise konfiguriert, umfasst die innere Leitung einen Venturi-Einsatz, der die Ansaugluftströmung unter nicht geladenen Zuständen beschleunigt. Um Abgas in den Luftstrom einzulassen, sind die Schlitze 68A und 68B im nachgeschalteten Leitungsabschnitt gebildet. Die verfügbare EGR-Rate hängt von Faktoren wie beispielsweise der Schlitzform und den Abmessungen sowie den gesamten Mischerabmessungen ab. Diese sind wiederum von den Abmessungen des Motors abhängig, in dem der EGR-Mischer installiert ist. Mit dieser Offenlegung voll konsistente Ausführungsformen können mit kleinen Motoren (z. B. 1,4 Liter), großen Motoren (z. B. 6,7 Liter und größer) oder dazwischen mit verschiedenen Raten, Abmessungen und einer Anzahl an Schlitzen, die entsprechend an die Motorgröße angepasst sind, verwendet werden. Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass die spezielle relative Abmessung des Mischers unerwartete Vorteile in Form von Strömungsbegrenzung, Mischeinheitlichkeit usw. bieten kann. 3 zeigt zwei Schlitze, aber bei anderen Ausführungsformen kann der EGR-Mischer nur einen Schlitz oder mehr als zwei einschließen. Weiter können die Schlitze am Rande der vorgeschalteten oder nachgeschalteten Leitungsabschnitte angeordnet sein. Wie man es aus 4 besser ersehen kann, können die Schlitze rechteckig in der Form sein, um einen kaskadeförmigen (im Gegensatz zu einem strahlenförmigen) Eintrag des Abgases in die innere Leitung zu fördern.
-
Der EGR-Mischer 28 schließt auch einen Resonator 70 ein, der umlaufend um den vorgeschalteten Leitungsabschnitt 62 und den nachgeschalteten Leitungsabschnitt 64 angeordnet ist. Die Schlitze 68A und 68B koppeln den Resonator mit der inneren Leitung. Wie in 3 gezeigt, kommuniziert der Resonator mit dem Abgaseinlass 72, durch den das Abgas von einem EGR-Kanal empfangen wird.
-
Weiterführend ist in den 3 und 4 eine abrupte strömungserweiternde Furche 66 zwischen den vorgeschalteten und nachgeschalteten Leitungsabschnitten angeordnet. Die abrupte strömungserweiternde Furche fördert das wirbelnde Mischen des Abgases in den Luftstrom zur effektiven Homogenisierung speziell unter Leichtlast-Zuständen.
-
EGR-Mischer 28 vereinigt sehr niedrige Ansaugluftbeschränkung mit sehr effektiver Homogenisierung. Er ist deshalb für die HP-EGR-Schleife eines turboaufgeladenen Motors mit hohem Druckverhältnis geeignet – z. B. ein Motor, bei dem der Kompressor ein Druckverhältnis von 3 oder größer unterstützt. Weiter ist der EGR-Mischer für minimale EGR-Verunreinigung während der Akkumulation eines hohen Kilometerstandes in einem Kraftfahrzeug konzipiert. Bei einer Ausführungsform kann der EGR-Mischer direkt in den Ansaugkrümmer des Motors integriert sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der EGR-Mischer in einem Gehäuse angeordnet sein, das sich extern vom Ansaugkrümmer befindet und mit dem Ansaugkrümmer gekoppelt ist. Wie in 4 gezeigt, kann der EGR-Mischer zur Erleichterung der Wartung mit einem Vier-Schrauben-Drosselklappengehäuse gekoppelt sein.
-
Obwohl der offenbarte EGR-Mischer zur Verwendung in einer HP-EGR-Schleife gut geeignet ist, kann er auch in einer LP-EGR-Schleife verwendet werden. Deshalb kann der vorgeschaltete Leitungsabschnitt des EGR-Mischers mit einem Luftfilter gekoppelt sein, der nachgeschaltete Leitungsabschnitt kann vor dem Kompressor in einer Einlassluftstromrichtung gekoppelt sein und der Resonator kann nach der Turbine in der Abgasströmungsrichtung gekoppelt sein. Bei Motorsystemen, die sowohl eine HP- als auch eine LP-EGR-Schleife (z. B. 1) oder eine digitale und analoge HP/LP-EGR-Konfiguration (z. B. 2) aufweisen, können zwei passend dimensionierte EGR-Mischer eingeschlossen sein.
-
Letztendlich ist es jedoch offensichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Artikel, Systeme und Verfahren Ausführungsformen dieser Offenlegung sind – nicht begrenzende Beispiele, für die zahlreiche Variationen und Erweiterungen ebenso denkbar sind. Demgemäß umfasst die vorliegende Offenbarung alle neuen und nicht augenfälligen Kombinationen und Subkombinationen der Artikel, Systeme und Verfahren, die hier offenbart werden, sowie jegliche Entsprechung davon.
-
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
-
