DE102011109221B4 - Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine (1), die mit einem Abgasturbolader (4) ausgestattet ist, welcher eine Abgasturbine (5) im Abgasstrang (3) und einen Verdichter (6) im Ansaugtrakt (2) aufweist, wobei das Abgasrückführungssystem eine Rückführleitung (15) mit einem Abgaskühler (16) zwischen dem Abgasstrang (3) stromab der Abgasturbine (5) und dem Ansaugtrakt (2) stromauf des Verdichters (6) umfasst, wobei in der Rückführleitung (15) eine Wasserabscheideeinheit (17) angeordnet ist, von der eine Kondensatleitung (19) verzweigt, welche in den Abgasstrang (3) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (15) stromab der Wasserabscheideeinheit (17) ein einstellbares Rückführventil (18) angeordnet ist und dass eine den Abgaskühler (16) überbrückende Bypassleitung (22) angeordnet ist, der ein einstellbares Bypassventil (23) zugeordnet ist, sodass heißes Abgas unter Umgehung des Abgaskühlers (16) über die Bypassleitung (22) der Wasserabscheideeinheit (17) zuführbar und gemeinsam mit Wasserdampf über die Kondensatleitung (19) in den Abgasstrang (3) ableitbar ist, wobei in der Kondensatleitung (19) ein Kondensatsammelbehälter (20) angeordnet ist, wobei in der Kondensatleitung (19) ein einstellbares Ablassventil (21) angeordnet ist, wobei die Kondensatleitung (19) stromab eines einstellbaren Abgasventils (12) in den Abgasstrang (3) mündet.Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine (1), which is equipped with an exhaust gas turbocharger (4) which has an exhaust gas turbine (5) in the exhaust line (3) and a compressor (6) in the intake tract (2), wherein the exhaust gas recirculation system has a return line (15) comprising an exhaust gas cooler (16) between the exhaust line (3) downstream of the exhaust gas turbine (5) and the intake tract (2) upstream of the compressor (6), wherein in the return line (15) a Wasserabscheideeinheit (17) is arranged, of the one Branched condensate line (19), which in the exhaust line (3) opens, characterized in that in the return line (15) downstream of the Wasserabscheideeinheit (17) an adjustable return valve (18) is arranged and that the exhaust gas cooler (16) bridging bypass line ( 22) is arranged, which is associated with an adjustable bypass valve (23), so that hot exhaust gas, bypassing the exhaust gas cooler (16) via the bypass line (22) of the Wasserabscheid eeinheit (17) can be supplied and together with steam via the condensate line (19) in the exhaust line (3) can be derived, wherein in the condensate line (19) a condensate collecting tank (20) is arranged, wherein in the condensate line (19) an adjustable drain valve ( 21), wherein the condensate line (19) opens downstream of an adjustable exhaust valve (12) in the exhaust line (3).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Zur Verbesserung des Abgasverhaltens ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem ausgestattet, das auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers angeordnet ist und eine Rückführleitung aufweist, welche stromab der Abgasturbine vom Abgasstrang verzweigt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt mündet. In der Rückführleitung ist ein Zyklonabscheider angeordnet, in welchem der Wasseranteil, welcher im Abgas enthalten ist, abgeschieden wird, wobei das entstehende Kondensat wieder in den Abgasstrang eingeleitet wird.To improve the exhaust behavior, the internal combustion engine is equipped with an exhaust gas recirculation system, which is arranged on the low pressure side of the exhaust gas turbocharger and having a return line which branches downstream of the exhaust gas turbine from the exhaust line and opens upstream of the compressor in the intake. In the return line, a cyclone separator is arranged, in which the water content, which is contained in the exhaust gas, is separated, wherein the resulting condensate is introduced back into the exhaust gas line.
Aus der
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen den Wasserabscheidegrad in einem Abgasrückführungssystem, das auf der Niederdruckseite angeordnet ist, zu verbessern.The invention has for its object to improve with simple measures the Wasserabscheidegrad in an exhaust gas recirculation system, which is located on the low pressure side.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This object is achieved with the features of claim 1. The dependent claims indicate expedient developments.
Das erfindungsgemäße Abgasrückführungssystem kann für Brennkraftmaschinen – Dieselmotoren oder Ottomotoren – eingesetzt werden, welche mit einem Abgasturbolader ausgestattet sind, der eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst. Die Abgasturbine wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung der Abgasturbine über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.The exhaust gas recirculation system according to the invention can be used for internal combustion engines - diesel engines or gasoline engines - which are equipped with an exhaust gas turbocharger comprising an exhaust gas turbine in the exhaust gas line and a compressor in the intake tract. The exhaust gas turbine is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine, wherein the rotational movement of the exhaust gas turbine is transmitted via a shaft to the compressor, which then aspirates combustion air and compressed to an increased boost pressure, under which the combustion air is supplied to the cylinders of the internal combustion engine.
Das Abgasrückführungssystem befindet sich auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers und umfasst eine Rückführleitung, die stromab der Abgasturbine vom Abgasstrang verzweigt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündet. In der Rückführleitung ist eine Wasserabscheideeinheit angeordnet, von der eine Kondensatleitung verzweigt, welche in den Abgasstrang mündet. Des Weiteren befindet sich in der Rückführleitung stromauf der Wasserabscheideeinheit ein Abgaskühler, über den die rückgeführten Abgase vor der Einleitung in den Ansaugtrakt auf eine niedrigere Temperatur gebracht werden.The exhaust gas recirculation system is located on the low pressure side of the exhaust gas turbocharger and comprises a return line, which branches downstream of the exhaust gas turbine from the exhaust line and opens upstream of the compressor in the intake. In the return line, a Wasserabscheideeinheit is arranged, branches from the condensate line, which opens into the exhaust system. Furthermore, in the return line upstream of the Wasserabscheideeinheit an exhaust gas cooler through which the recirculated exhaust gases before the introduction into the intake tract be brought to a lower temperature.
Der Abgaskühler wird von einer Bypassleitung überbrückt, der ein einstellbares Bypassventil zugeordnet ist. Diese Ausführung erlaubt es, in bestimmten Betriebssituationen den Abgaskühler über die Bypassleitung zu überbrücken, so dass keine Kühlung des rückgeführten Abgases stattfindet und stattdessen heißes Abgas die Wasserabscheideeinheit durchströmt, in welchem aufgrund des höheren Temperaturniveaus des Abgases ein größerer Anteil des Kondensats in den gasförmigen Zustand überführt wird als dies bei gekühltem Abgas der Fall ist. Damit ist es möglich, gezielte Situationen herbeizuführen, in denen das Kondensat bzw. ein Teil des Kondensats in der Wasserabscheideeinheit verdampft, wobei das verdampfte Wasser entweder über die Kondensatleitung in den Abgasstrang geleitet oder in die Umgebung entlassen wird. Soweit das Kondensat nicht in flüssiger Form über die Kondensatleitung abgeführt wird, ist auf diese Weise eine vollständige oder zumindest weitgehende Entleerung der Wasserabscheideeinheit möglich. Gegebenenfalls kann das in den gasfömigen Zustand überführte Kondensat auch gemeinsam mit dem Abgas in den Ansaugtrakt geführt werden.The exhaust gas cooler is bridged by a bypass line, which is assigned to an adjustable bypass valve. This embodiment makes it possible to bridge the exhaust gas cooler in certain operating situations via the bypass line, so that no cooling of the recirculated exhaust gas takes place and instead hot exhaust gas flows through the Wasserabscheideeinheit in which due to the higher temperature level of the exhaust gas, a greater proportion of the condensate transferred to the gaseous state is than is the case with cooled exhaust gas. This makes it possible to bring about specific situations in which the condensate or part of the condensate evaporates in the Wasserabscheideeinheit, the evaporated water is either passed through the condensate line in the exhaust system or discharged into the environment. If the condensate is not removed in liquid form via the condensate line, a complete or at least substantial emptying of the water separation unit is possible in this way. If appropriate, the condensate transferred into the gaseous state can also be conducted together with the exhaust gas into the intake tract.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Abgasrückführungssystems steht die Möglichkeit zur Verfügung, die Wasserabscheideeinheit, gegebenenfalls auch einen Kondensatsammelbehälter, welcher in der Kondensatleitung angeordnet ist, zu spülen, indem Kondensat verdampft und in der Regel über den Abgasstrang entsorgt wird. Über die Bypassleitung kann der Abgaskühler überbrückt werden, so dass eine höhere Abgastemperatur für den Spülvorgang zur Verfügung steht und die Verdampfungsrate erhöht ist.With the embodiment of the exhaust gas recirculation system according to the invention, it is possible to purge the Wasserabscheideeinheit, optionally also a condensate collection, which is arranged in the condensate line by vaporized condensate and disposed of generally via the exhaust line. About the bypass line of the exhaust gas cooler can be bridged, so that a higher exhaust gas temperature is available for the flushing process and the evaporation rate is increased.
Ungeachtet der Möglichkeit, Kondensat zu Spülzwecken zu verdampfen, hat die Wasserabscheideeinheit, welche in der Rückführleitung angeordnet ist, die Aufgabe, durch Abscheidung den Wassergehalt im rückgeführten Abgasstrom zu reduzieren. In der Wasserabscheideeinheit findet eine Abscheidung von Wasser aus dem Abgas statt, welches aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt rückgeführt wird. Das abgeschiedene Wasser kann über die Kondensatleitung in den Abgasstrang geleitet werden. Zweckmäßigerweise befindet sich in der Kondensatleitung ein Kondensatsammelbehälter, in welchem das in der Wasserabscheideeinheit abgeschiedene Kondensat gesammelt wird. Aus dem Kondensatsammelbehälter kann das Kondensat in den Abgasstrang geleitet werden, beispielsweise bei Erreichen eines definierten Füllstandes im Kondensatsammelbehälter oder in regelmäßigen Abständen.Regardless of the ability to vaporize condensate for purge purposes, the Wasserabscheideeinheit, which is arranged in the return line, the task of reducing the water content in the recirculated exhaust gas stream by deposition. In the Wasserabscheideeinheit takes place a separation of water from the exhaust gas, which is recycled from the exhaust line in the intake. The separated water can be passed through the condensate line in the exhaust system. Conveniently, located in the condensate line, a condensate collection container, in which the precipitated in the Wasserabscheideeinheit condensate is collected. From the condensate collecting the condensate can be passed into the exhaust system, for example, when a defined level in the condensate tank or at regular intervals.
Um die Ableitung des Kondensats in den Abgasstrang steuern zu können, befindet sich in der Kondensatleitung zweckmäßigerweise ein einstellbares Ablassventil. Im geschlossenen Zustand des Ablassventils ist die Kondensatleitung geschlossen, so dass kein Kondensat abgeleitet werden kann. Eine Ableitung ist nur im geöffneten Zustand des Ablassventils möglich.In order to be able to control the discharge of the condensate into the exhaust gas line, an adjustable drain valve is expediently located in the condensate line. In the closed state of the drain valve, the condensate line is closed, so that no condensate can be diverted. A derivative is only possible in the open state of the drain valve.
Zweckmäßigerweise mündet die Kondensatleitung stromab einer Filtereinrichtung, welche im Abgasstrang angeordnet ist, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter, in den Abgasstrang. Die Rückführleitung verzweigt vorteilhafterweise stromab der Filtereinrichtung, jedoch stromauf der Einmündung der Kondensatleitung in den Abgasstrang. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass gegebenenfalls von der Filtereinrichtung gelöste Partikel wie zum Beispiel Keramikpartikel über die Rückführleitung in die Wasserabscheideeinheit gelangen, in der die Partikel abgeschieden werden, wobei über die Kondensatleitung die Partikel wieder in den Abgasstrang gelangen und in die Umgebung abgeleitet werden können. Eine Einleitung der Partikel in den Ansaugtrakt und eine eventuelle Beschädigung der Verdichterradschaufeln durch die Partikel wird vermieden.Appropriately, the condensate line opens downstream of a filter device, which is arranged in the exhaust line, for example, a diesel particulate filter, in the exhaust line. The return line branches advantageously downstream of the filter device, but upstream of the confluence of the condensate line in the exhaust line. This embodiment has the advantage that particles possibly dissolved by the filter device, for example ceramic particles, pass via the return line into the water separation unit in which the particles are deposited, the particles being able to return to the exhaust line via the condensate line and being able to be discharged into the environment , Introduction of the particles into the intake tract and possible damage to the compressor wheel blades by the particles is avoided.
Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung mündet die Kondensatleitung stromab eines einstellbaren Abgasventils in den Abgasstrang. Das Abgasventil befindet sich im Abgasstrang und ermöglicht durch Verstellen in die Schließposition einen Anstieg des Abgasgegendrucks, so dass ein höheres Druckgefälle zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt zur Verfügung steht, welches die Einleitung von Abgas in die Rückführleitung unterstützt. Gemeinsam mit einem Rückführventil, welches in der Rückführleitung angeordnet ist und zweckmäßigerweise stromab der Wasserabscheideeinheit angeordnet ist, stehen somit mehrere Ventile zur Steuerung der Abgasrückführung sowie der Abscheidung und des Spülvorgangs zur Verfügung.According to another expedient embodiment, the condensate line opens downstream of an adjustable exhaust valve in the exhaust system. The exhaust valve is located in the exhaust system and allows by adjusting in the closed position, an increase in the exhaust backpressure, so that a higher pressure gradient between the exhaust system and the intake system is available, which supports the introduction of exhaust gas in the return line. Together with a return valve, which is arranged in the return line and is advantageously arranged downstream of the Wasserabscheideeinheit, thus several valves for controlling the exhaust gas recirculation and the deposition and the rinsing process are available.
Im Abgasrückführmodus ist zweckmäßigerweise sowohl das Bypassventil als auch das Ablassventil in der Kondensatleitung in Schließposition gestellt, so dass zum einen das Abgas über den Abgaskühler in die Rückführleitung geführt wird und zum andern ein Kondensataustrag in den Abgasstrang hinein unterbunden ist. In diesem Betriebszustand findet in der Wasserabscheideeinheit die Wasserabscheidung statt, das Kondensat kann anschließend im Kondensatsammelbehälter, welcher in der Kondensatleitung angeordnet ist, gesammelt werden. Das Rückführventil in der Rückführleitung steht in Öffnungsposition, um die Einleitung des Abgases in den Ansaugtrakt zu erlauben. Das Abgasventil, welches sich im Abgasstrang stromab der Verzweigung der Rückführleitung befindet, kann optional in Schließposition bzw. in eine Teilschließposition verstellt werden, um den Abgasgegendruck zu erhöhen und dadurch die Rückführrate zu verbessern.In the exhaust gas recirculation mode, both the bypass valve and the discharge valve in the condensate line are expediently set in the closed position, so that the exhaust gas is guided via the exhaust gas cooler into the return line and the condensate discharge into the exhaust gas line is prevented. In this operating state, the water separation takes place in the Wasserabscheideeinheit, the condensate can then be collected in the condensate collection tank, which is arranged in the condensate line. The return valve in the return line is in the open position to allow the introduction of the exhaust gas into the intake tract. The exhaust valve, which is located in the exhaust line downstream of the branch of the return line, can optionally in the closed position or in a partial closing position be adjusted to increase the exhaust back pressure and thereby improve the return rate.
Wenn über die Rückführleitung auf der Niederdruckseite keine Abgasrückführung durchgeführt wird, kann das gesammelte Kondensat ausgetragen werden. In dieser Betriebsphase wird zweckmäßigerweise das Rückführventil stromab der Wasserabscheideeinheit geschlossen und das Ablassventil in der Kondensatleitung geöffnet, so dass Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter in den Abgasstrang strömen kann. Das Abgasventil, welches sich im Abgasstrang stromab der Verzweigung der Rückführleitung befindet, kann optional zur Erhöhung des Abgasgegendrucks in eine Schließ- oder Teilschließposition verstellt werden. Das Bypassventil in der Bypassleitung, welches den Abgaskühler überbrückt, kann optional in die Öffnungsposition verstellt werden, so dass der Abgaskühler zumindest weitgehend umgangen wird. In Abhängigkeit der Stellung des Abgasventils im Abgasstrang und des Bypassventils in der Bypassleitung kann ein Spülvorgang zum Spülen der Wasserabscheideeinheit bzw. des Kondensatsammelbehälters beeinflusst werden. Zum Spülen steht das Rückführventil stromab der Wasserabscheideeinheit ebenfalls in Schließposition, das Ablassventil in der Kondensatleitung ist dagegen geöffnet. Unter Umgehung des Abgaskühlers kann ein höheres thermisches Niveau im rückgeführten Abgas eingestellt werden, wodurch die Verdunstungsrate erhöht und der Spülvorgang verbessert wird.If exhaust gas recirculation is not carried out via the return line on the low-pressure side, the collected condensate can be discharged. In this phase of operation, the return valve is conveniently closed downstream of the Wasserabscheideeinheit and opened the drain valve in the condensate line, so that condensate can flow from the condensate collection in the exhaust system. The exhaust valve, which is located in the exhaust line downstream of the branch of the return line, can optionally be adjusted to increase the exhaust back pressure in a closing or partial closing position. The bypass valve in the bypass line, which bridges the exhaust gas cooler, can optionally be adjusted to the open position, so that the exhaust gas cooler is at least largely bypassed. Depending on the position of the exhaust valve in the exhaust line and the bypass valve in the bypass line, a rinsing process for rinsing the Wasserabscheideeinheit or the condensate collection container can be influenced. For purging, the return valve downstream of the Wasserabscheideeinheit is also in the closed position, the drain valve in the condensate line is open. By bypassing the exhaust gas cooler, a higher thermal level in the recirculated exhaust gas can be set, whereby the evaporation rate is increased and the flushing process is improved.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der schematisch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem dargestellt ist.Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawing, in which a supercharged internal combustion engine with a low-pressure exhaust gas recirculation system is shown schematically.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
Der in der Figur dargestellten Brennkraftmaschine
Die angesaugte Verbrennungsluft wird im Ansaugtrakt
Im Abgasstrang
Die Brennkraftmaschine ist auf der Hochdruckseite des Abgasturboladers
Auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers
Um die Abgasrückführung auf der Niederdruckseite durchzuführen, wird das Rückführventil
Um die Wasserabscheideeinheit
Zum Spülen der Wasserabscheideeinheit
Claims (5)
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