DE102012101851B4

DE102012101851B4 - Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012101851B4
Application number: DE102012101851.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Antoni Christian; Bernhard Bronischewski; Wolfgang Kohnen
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: WO2013131674A1; DE102012101851A1; EP2823175A1; EP2823175B1; JP2015510981A; CN104145110A; KR20140123995A; US9644576B2; JP6116597B2; US20150027420A1; KR101702733B1

Abstract

Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführkanal (12), einem Luftansaugkanal (10), in welchen der Abgasrückführkanal (12) mündet und einem als Drallerzeuger (44) ausgebildetem Strömungsleitelement, welches an einem Ende (42) des Abgasrückführkanals (12) im Abgasrückführkanal (12) angeordnet ist, wobei an einer Mündung (24) am Ende (42) des Abgasrückführkanals (12), in dem der Drallerzeuger (44) angeordnet ist, ein Ventilsitz (40) ausgebildet ist, der einen Ausströmquerschnitt (38) des Abgasrückführkanals (12) begrenzt, der über einen Regelkörper (16) eines Abgasrückführventils (14) geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (44) Flügel (48) aufweist, die sich radial in Richtung zu einer umgebenden Seitenwand (50) des Abgasrückführkanals (12) erstrecken und die in Hauptströmungsrichtung des Abgases eine wachsende Komponente in Umfangsrichtung in Form einer stetig wachsenden Biegung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführkanal, einem Luftansaugkanal, in welchen der Abgasrückführkanal mündet und einem als Drallerzeuger ausgebildeten Strömungsleitelement, welches an einem Ende des Abgasrückführkanals im Abgasrückführkanal angeordnet ist, wobei an einer Mündung am Ende des Abgasrückführkanals, in dem der Drallerzeuger angeordnet ist, ein Ventilsitz ausgebildet ist, der einen Ausströmquerschnitt des Abgasrückführkanals begrenzt, der über einen Regelkörper eines Abgasrückführventils geregelt ist.
Abgaseinleitvorrichtungen sind bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Zweck dieser Einleitvorrichtungen ist es, eine gute Durchmischung des Abgasstroms mit dem Luftstrom zu gewährleisten. Es ist jedoch darauf zu achten, dass dabei auch ein ausreichendes Druckgefälle im Abgasrückführkanal erhalten bleibt, um ausreichend große Abgasmengen zurückführen zu können. Entsprechend sind größere Druckverluste zu vermeiden.
Neben diesen Einleiteinrichtungen, die beispielsweise durch eine geschlitzte Kanalwand gebildet werden, durch die das Abgas radial aus einem umgebenden Ringkanal in den Luftansaugkanal einströmen kann, wie es beispielsweise in der DE 44 20 247 A1 beschrieben wird, sind auch statische Mischer bekannt, die dafür sorgen, dass nach der Einleitung des Abgases in den Luftstrom eine ausreichende Durchmischung sichergestellt wird. Ein plattenförmiger statischer Mischer wird beispielswiese in der DE 10 2004 025 184 A1 beschrieben.
Ein anderer statischer Mischer ist aus der US 7,743,756 B2 bekannt. Dieser Mischer weist einen inneren Abgasrückführkanal mit radialen Ausströmöffnungen auf, hinter denen einen Drall erzeugende Flügel ausgebildet sind, durch die der gemischte Abgas-Luftstrom strömt, so dass eine Verwirbelung entsteht, die zu einer Homogenisierung des Gemisches unmittelbar vor der Drosselklappe führen soll.
Bei einer derartigen Mischung über statische Mischer kann es passieren, dass vorher vorhandene Strähnen eines Gases im Gasgemisch in gleicher Weise umgelenkt werden, wie das umgebende Gas, so dass weiterhin keine gute Durchmischung gegeben ist. Bei der Durchmischung über die radiale Einleitung hingegen besteht zwar einerseits eine relativ gute Durchmischung jedoch andererseits ein hoher Druckverlust.
Des Weiteren ist die Mengenregelung des eingeleiteten Abgasstroms jeweils in Entfernung zum Einleitpunkt angeordnet, so dass Pulsationen und Druckdifferenzen im nachfolgenden Abgasstrang eine genaue Regelung erschweren.
Aus der WO 2011/048540 A1 ist ein als Klappenventil ausgeführtes Abgasrückführventil bekannt, welches zumindest teilweise in den Luftansaugkanal eingeschwenkt werden kann und in der Verzweigung zwischen dem Abgasrückführkanal und dem Luftansaugkanal angeordnet ist. Eine Strömungsleitung findet nicht statt.
Des Weiteren ist aus der FR 29 17 131 A1 eine Abgaseinleitvorrichtung bekannt, bei der ein Abgasrückführkanal in den Ansaugkanal mündet, wobei im Bereich der Verzweigung der Ventilsitz des Abgasrückführventils ausgebildet ist. Das Abgasrückführventil ist als Hubventil ausgebildet, an dessen im Abgasrückführkanal angeordnetem Gehäuse am zum Ventilsitz entgegengesetzten Ende vier etwa tangential verlaufende Einlässe für den Abgasstrom ausgebildet sind, durch welche beim Einströmen des Abgasstroms diesem ein Drall aufgezwungen wird, der sich zum Ventilsitz und bei geöffnetem Ventil bis in den Ansaugkanal fortsetzt. Dieser Drallerzeuger führt jedoch zu einem sehr hohen Druckverlust durch die plötzliche Einschnürung des zur Verfügung stehenden Querschnitts im Bereich der tangentialen Öffnungen.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine gute Durchmischung des Abgasstroms und des Luftstroms bei geringen Druckverlusten und einer genauen Regelbarkeit der rückgeführten Abgasmenge sicherzustellen. Dabei soll ein möglichst geringer Bauraum benötigt und eine einfache Montage erreicht werden. Die thermische Belastung nachfolgender Bauteile soll durch die homogene Verteilung des Abgases im Luftstrom durch Reduzierung von Temperaturspitzen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgaseinleitvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Drallerzeuger Flügel aufweist, die sich radial in Richtung zu einer umgebenden Seitenwand des Abgasrückführkanals erstrecken und die in Hauptströmungsrichtung des Abgases eine wachsende Komponente in Umfangsrichtung in Form einer stetig wachsenden Biegung aufweisen, wird lediglich dem Abgasstrom unmittelbar vor dem Eintritt in den Luftstrom ein Drall zur Verbesserung der Durchmischung aufgezwungen und eine genaue Regelbarkeit der rückgeführten Abgasmenge sichergestellt. Dies verbessert deutlich die Durchmischung und verhindert eine thermische Überlastung nachfolgender Bauteile aufgrund von Temperaturspitzen. Da ein drallbehafteter Abgasstrom besonders große Turbulenzen im geradlinigen Luftstrom erzeugt, wird wiederum die Homogenisierung verbessert. Durch diese besondere Ausbildung des Drallerzeugers kann der Strömung ein hoher Drall bei möglichst kleinem Druckverlust aufgezwungen werden. Der benötigte Bauraum ist gering.
Vorzugsweise schließt der Ausströmquerschnitt des Abgasrückführkanals einen Winkel von 30° bis 90° zum Durchströmungsquerschnitt des Luftansaugkanals ein. Entsprechend weist der eintretende Abgasstrom zumindest einen Winkel von 30° zum Luftstrom auf, wodurch parallele Schichtströmungen vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Regelkörper eine exzentrisch gelagerte Klappe, deren Drehachse bezüglich des Luftstroms stromaufwärts des Ausströmquerschnitts des Abgasrückführkanals angeordnet ist. Entsprechend entsteht durch die teilweise geöffnete Klappe eine Umlenkung in Richtung des Luftstroms, wodurch zu hohe Strömungswiderstände und damit Druckverluste vermieden werden.
Das Ende des Abgasrückführkanals, in dem das Strömungsleitelement angeordnet ist, ist kegelstumpfförmig in Richtung zur Mündung zulaufend ausgebildet. Diese Querschnittsverengung führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einer turbulenten Strömung, was zu einer Verbesserung der Durchmischung beim Einströmen in den Luftkanal führt.
In einer wiederum weiterführenden Ausführungsform weist der Drallerzeuger eine zentrale Achse auf, an der die Flügel befestigt sind, welche sich in Radialrichtung bis zur umgebenden Seitenwand des Endes des Abgasrückführkanals erstrecken. Ein derartiger Drallerzeuger ist einfach herstellbar und montierbar. Die Ausbildung einer mittleren, nicht drallbehafteten Strähne in der Strömung wird vermieden.
Eine besonders einfache Montierbarkeit aufgrund der Möglichkeit einer Vormontage außerhalb des Abgaskanals ergibt sich, wenn der Drallerzeuger in einem Kanalabschnitt befestigt ist, der mit dem Drallerzeuger in das Ende des Abgasrückführkanals eingesetzt ist.
Eine weitere Verringerung des Montageaufwandes ergibt sich durch die einstöckige Herstellung des Drallerzeugers mit dem umgebenden Kanalabschnitt.
Es wird somit eine Abgaseinleitvorrichtung geschaffen, mit der eine sehr gute Homogenisierung des Abgas-Luftgemisches bei geringen Druckverlusten sichergestellt wird. Dies führt zu einer Verringerung von Temperaturspitzen an nachfolgenden Bauteilen. Der Aufbau ist einfach und kostengünstig. Der benötigte Bauraum zur Sicherstellung einer ausreichenden Durchmischung wird reduziert.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgaseinleitvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Abgaseinleitvorrichtung in geschnittener Darstellung.
2 zeigt in dreidimensionaler Darstellung einen den Drallerzeuger der erfindungsgemäßen Abgaseinleitvorrichtung aus 1.
Die erfindungsgemäße Abgaseinleitvorrichtung besteht aus einem Luftansaugkanal 10, in den über einen nicht dargestellten stromaufwärtigen Filter Luft für die Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine in Richtung eines Kompressors eines Turboladers angesaugt wird. Zurückgeführtes Abgas wird bei einer Niederdruckabgasrückführung vor dem Verdichter in den Luftansaugkanal 10 eingebracht.
Dies erfolgt über einen Abgasrückführkanal 12, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel im rechten Winkel zum Luftansaugkanal 10 in diesen mündet. Die zurückgeführte Abgasmenge wird über ein Abgasrückführventil 14 geregelt, dessen Regelkörper im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine exzentrisch gelagerte Klappe 16 gebildet ist.
Das Abgasrückführventil 14 weist einen Aktor 18 in Form eines Elektromotors mit nachgeschaltetem Getriebe auf, über den eine als Drehachse dienende Welle 20 in Drehung versetzbar ist. Diese Welle 20 ist im Gehäuse 22 des Luftansaugkanals 10 beidseitig stromaufwärts einer Mündung 24 des Abgasrückführkanals 12 gelagert und durchdringt einseitig das Gehäuse 22 zum Anschluss an das Getriebe des Aktors 18. An der Welle 20 ist ein Hebel 26 befestigt, der als Klappenkörper zur Regelung des Durchströmungsquerschnitts des Luftansaugkanals 10 und damit zur Drosselung des Luftstroms ausgebildet sein kann.
Am Hebel 26 ist zentral eine Halteachse 28 befestigt, die sich senkrecht zum Hebel 26 erstreckt und die exzentrisch gelagerte Klappe 16 zentral durchdringt. Der Hebel 26 weist einen Absatz 30 auf, gegen den die Klappe 16 über eine Schraubenfeder 32 gedrückt wird. Hierzu ist am Ende der Halteachse 28 ein Ringkörper 34 angeordnet, gegen den die Schraubenfeder 32 mit ihrem zur Klappe 16 gegenüberliegenden Ende anliegt. Die Befestigung dieses Ringkörpers 34 auf der Halteachse 28 erfolgt mittels eines Sicherungsringes 36, der in einer Nut an der Halteachse 28 befestigt ist. Aufgrund dieser Konstruktion kann die Klappe 16 relativ zum parallelen Hebel 26 in geringem Maße gekippt werden, wodurch eine möglichst umlaufend geschlossene Auflage der Klappe 16 auf einem einen Ausströmquerschnitt 38 des Abgasrückführkanals 12 umgebenden Ventilsitz 40 sichergestellt wird.
Der Ventilsitz 40 befindet sich an der Mündung 24 des Abgasrückführkanals 12. Das Ende 42 des Abgasrückführkanals 12 weist eine kegelstumpfförmige Form beziehungsweise eine zur Mündung 24 gerichtete Einschnürung auf, wodurch die Austrittsgeschwindigkeit des Abgasstroms am Ausströmquerschnitt erhöht wird.
Erfindungsgemäß ist im Ende 42 des Abgaskanals ein Strömungsleitelement in Form eines Drallerzeugers 44 angeordnet, wie er in 2 dargestellt ist. Dieser besteht aus einer zentralen geschlossenen konzentrisch zum Ende 42 des Abgasrückführkanals 12 angeordneten Achse 46, von der aus sich Flügel 48 radial nach außen und entlang der Achse 46 erstrecken, wobei die Flügel zusätzlich eine in Richtung der Achse 46 stetig sich vergrößernd Biegung also Komponente in Umfangsrichtung aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs solcher Flügel 48 an der Achse 46 befestigt. Entsprechend der Einschnürung des Endes 42 des Abgasrückführkanals 12 verringert sich in Richtung der Achse 46 auch die Erstreckung der Flügel 48 in radialer Richtung, so dass sich die Flügel 48 jeweils bis zur umgebenden Seitenwand 50 des umliegenden, Ende 42 des Abgasrückführkanals 12 bildenden Kanalabschnitts 52 erstrecken, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als separates Bauteil in eine entsprechend ausgeformte Öffnung 54 des Gehäuses 22 eingesetzt ist und anschließend mit dem weiterführenden Abgasrückführkanal 12 verbunden wird. Die Befestigung des Kanalabschnitts 52 im Gehäuse 22 kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen. Auch die Befestigung des Drallerzeugers 44 im Kanalabschnitt 52 kann vorab über Vorsprünge 56 am Ende der Flügel 48 durch Schweißen erfolgen. Andere, beispielsweise rein formschlüssige Befestigungen, beispielsweise durch ein Anflanschen des weiterführenden Abgasrückführkanals 12 sind ebenfalls denkbar.
Einem in Abhängigkeit der Stellung der Klappe 16 in den Abgasrückführkanal 12 einströmenden Abgasstrom wird im Drallerzeuger 44 eine Tangentialkomponente aufgezwungen, was bedeutet, dass ein rotierender Abgasstrom entsteht. Durch die stetige Ausbildung der Flügel 48 entsteht nur ein geringer Druckverlust. Dieser Abgasstrom wird im Folgenden je nach Stellung der Klappe 16 unterschiedlich stark in Hauptströmungsrichtung des angesaugten Luftstroms abgelenkt, wobei die Einströmgeschwindigkeit durch den ebenfalls zur Druckverlustreduzierung stetig verringerten Querschnitt des Abgasrückführkanals 16 deutlich erhöht ist. Entsprechend handelt es sich um eine turbulente Strömung, die auch im Luftansaugkanal 10 Turbulenzen bei der Einströmung erzeugt, wodurch eine sehr gute Durchmischung des Abgasstroms mit dem Luftstrom ohne Bildung von Abgassträhnen erzielt wird. Dies verringert deutlich die thermische Belastung nachfolgender Bauteile, da lokale Temperaturspritzen vermieden werden.
So wird eine gute Durchmischung bei sehr kleinem Bauraum für die Turbulenzerzeugung erzielt, da die Turbulenzen nicht durch ein Bauteil dem gesamten Gasstrom aufgezwungen werden, sondern nur dem Abgasstrom. Des Weiteren ergibt sich eine einfache Montage.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Neben dem beschriebenen Drallerzeuger lassen sich auch andere Turbulenzen im Luftansaugkanal erzeugende Strömungsleitelemente verwenden. Auch die Befestigung des Strömungsleitelementes kann auf andere Weise erfolgen, insbesondere kann das Strömungsleitelement einstückig mit den umgebenden Kanalwänden hergestellt werden. Des Weiteren kann der Abgasrückführkanal unter einem anderen Winkel in den Luftansaugkanal münden und das Abgasrückführventil kann derart angeordnet werden, dass eine möglichst geringe Beeinflussung des Luftstroms durch das Ventil erfolgt, die Öffnung also noch im Ende des Abgasrückführkanals stattfindet.

Claims

Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführkanal (12), einem Luftansaugkanal (10), in welchen der Abgasrückführkanal (12) mündet und einem als Drallerzeuger (44) ausgebildetem Strömungsleitelement, welches an einem Ende (42) des Abgasrückführkanals (12) im Abgasrückführkanal (12) angeordnet ist, wobei an einer Mündung (24) am Ende (42) des Abgasrückführkanals (12), in dem der Drallerzeuger (44) angeordnet ist, ein Ventilsitz (40) ausgebildet ist, der einen Ausströmquerschnitt (38) des Abgasrückführkanals (12) begrenzt, der über einen Regelkörper (16) eines Abgasrückführventils (14) geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (44) Flügel (48) aufweist, die sich radial in Richtung zu einer umgebenden Seitenwand (50) des Abgasrückführkanals (12) erstrecken und die in Hauptströmungsrichtung des Abgases eine wachsende Komponente in Umfangsrichtung in Form einer stetig wachsenden Biegung aufweisen.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausströmquerschnitt (38) des Abgasrückführkanals (12) einen Winkel von 30° bis 90° zum Durchströmungsquerschnitt des Luftansaugkanals (10) einschließt.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper eine exzentrisch gelagerte Klappe (16) ist, deren Drehachse (20) bezüglich des Luftstroms stromaufwärts des Ausströmquerschnitts (38) des Abgasrückführkanals (12) angeordnet ist.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (42) des Abgasrückführkanals (12), in dem das Strömungsleitelement (44) angeordnet ist, kegelstumpfförmig in Richtung zur Mündung (24) zulaufend ausgebildet ist.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (44) eine zentrale Achse (46) aufweist, an der die Flügel (48) befestigt sind, welche sich in Radialrichtung bis zur umgebenden Seitenwand (50) des Endes (42) des Abgasrückführkanals (12) erstrecken.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (44) in einem Kanalabschnitt (52) befestigt ist, der mit dem Drallerzeuger (44) in eine Öffnung (54) eines Gehäuses (22) des Luftansaugkanals (10) eingesetzt ist.
Abgaseinleitvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (44) einstückig mit einem umgebenden Kanalabschnitt (52) hergestellt ist.