DE102012107649A1 - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Abgasrückführsysteme für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung (20), einer Ansaugleitung (12), einem Turbolader (16) mit einem Verdichter (14), der in der Ansaugleitung (12) angeordnet ist und einer Turbine (22), die in der Abgasleitung (20) angeordnet ist, einer Abgasrückführleitung (30), welche von der Abgasleitung (20) stromabwärts der Turbine (22) abzweigt und in die Ansaugleitung (12) stromabwärts des Verdichters (14) mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung (30), sind bekannt. Zur Überwindung des Druckgefälles werden üblicherweise aktiv betriebene Abgasrückführpumpen verwendet. Um möglichst energieeffizient gereinigtes Abgas in den Ansaughochdruckbereich zurückführen zu können wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung (30) ein Druckwellenlader (32) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Ansaugleitung, einem Turbolader mit einem Verdichter, der in der Ansaugleitung angeordnet ist und einer Turbine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, einer Abgasrückführleitung, welche von der Abgasleitung stromabwärts der Turbine abzweigt und in die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung.
- Es sind verschiedene Abgasrückführsysteme zur Schadstoffreduzierung für turboaufgeladene Motoren bekannt. Die häufigsten verwendeten Systeme weisen einen Niederdruckabgasrückführzweig oder einen Hochdruckabgasrückführzweig auf. Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das Abgas hinter der Turbine und der Abgasreinigungsanlage entnommen und vor dem Verdichter zurückgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sauberes und bereits leicht abgekühltes Abgas zurückgeführt wird, wodurch eine Versottung des Verdichters und des Ladeluftkühlers vermieden wird und der Turbine der volle Abgasstrom zur Verfügung steht. Allerdings muss verhindert werden, dass es durch auskondensiertes Verbrennungswasser zu einer Schädigung des Verdichters durch Tropfenschlag kommt, so dass zunächst das Wasser aus dem Abgas entfernt werden muss. Des Weiteren ist die Regelung der Niederdruckabgasrückführung aufgrund der langen Wege relativ träge. Die Hochdruckabgasrückführung, bei der Abgas vor der Turbine entnommen und stromab des Verdichters wieder der Ansaugleitung zugeführt wird, hat demgegenüber den Vorteil einer raschen Regelbarkeit, weist jedoch unter anderem die Probleme auf, dass entweder das Abgas stromabwärts des Ladeluftkühlers eingeführt wird, was zu einer verminderten Füllung durch erhöhte Temperaturen führt oder eine Versottung des Ladeluftkühlers entsteht.
- Aus diesem Grund wurden Mischsysteme entwickelt, die sowohl mit einem Niederdruckabgasstrang als auch mit einem Hochdruckabgasstrang ausgerüstet sind. Dies führt allerdings zu einem erhöhten Verrohrungs- und somit Montageaufwand, so dass deutlich höhere Kosten entstehen.
- Aus der
DE 10 2009 027 639 A1 ist ein Abgasrückführsystem mit einer Hochdruckleitung und einer weiteren Abgasrückführleitung bekannt, welche hinter einer Abgasreinigungsvorrichtung und somit hinter der Turbine des Turboladers abzweigt und stromab des Verdichters in die Ansaugleitung mündet. Um über diesen Abgasstrang ausreichend Abgas fördern zu können, ist im Abgasrückführstrang zur Überwindung des Druckgefälles eine über einen Elektromotor angetriebene Abgaspumpe angeordnet. So kann sauberes Abgas dem Verbrennungsmotor gekühlt zur Verfügung gestellt werden, ohne dass eine zu hohe Trägheit der Massenstrom- und Temperaturregelung zu befürchten ist. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche Antriebsleistung für die AGR-Pumpe in das System eingebracht werden muss, was den Gesamtwirkungsgrad herabsetzt. - Des Weiteren wurde als Alternative zur Aufladung von Verbrennungsmotoren mittels Abgasturboladern die Verwendung von Druckwellenladern getestet, welche besonders resistent gegen Verschmutzungen durch das Abgas reagieren, da aufgrund der Funktionsweise eine regelmäßige Spülung der Kammern durch die zu verdichtende Frischluft stattfindet, so dass eine wachsende Verrußung nicht zu befürchten ist. Ein solcher Druckwellenlader wird beispielsweise in der
DE 10 2010 049 361 A1 beschrieben. Durch den hohen Druck im Abgasstrang kann in die Kammern des Druckwellenladers gelangtes Abgas bis beinahe auf den Druck in der Abgasleitung also am Auslass der Zylinder verdichtet werden. Besondere Abgasrückführsysteme für derartige Motoren sind bislang nicht bekannt. - Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem zu schaffen, mit dem möglichst gereinigtes Abgas gekühlt zum Verbrennungsmotor stromab des Verdichters zurückgeführt werden kann, wobei der notwendige Energieeintrag minimiert werden soll. Der Druck in der Ansaugleitung soll ebenso wie die Temperatur der Ladeluft durch die Abgasrückführung nicht verringert werden, so dass die Füllung der Zylinder im Vergleich zu Zuständen ohne Abgasrückführung erhalten bleibt.
- Diese Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung ein Druckwellenlader angeordnet ist, wird keine zusätzliche Antriebsenergie zur Druckerhöhung des Abgases auf das Ladeluftniveau benötigt. So können hohe Volumenströme sauberen Abgases gefördert werden.
- Vorzugsweise ist ein Fördereinlass des Druckwellenladers über die Abgasrückführleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden, ein Förderauslass über die Abgasrückführleitung mit der Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters verbunden, ein Druckwelleneinlass über eine Bypassleitung mit der Abgasleitung stromaufwärts der Turbine verbunden und ein Druckwellenauslass über die Bypassleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden. Entsprechend wird der Druck in der Abgasauslassleitung der Zylinder zur Druckerhöhung im Druckwellenlader genutzt, um eine entsprechende Druckerhöhung des Abgases von der Niederdruckseite auf einen Druck oberhalb der Ladeluftleitung zu erhalten.
- In einer weiterführenden Ausführung zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromabwärts eines Partikelfilters von der Abgasleitung ab, so dass sichergestellt ist, dass Partikel freies Abgas zur Ladeluft gemischt wird. Dies verringert die Belastung der nachfolgenden Bauteile und Leitungen und erhöht somit deren Lebensdauer.
- Entsprechend zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung auch stromabwärts eines Katalysators von der Abgasleitung ab, so dass sauberes Abgas zurückgeführt wird. Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen an kühlen Wänden nachfolgender Teile, wie beispielsweise des Ladeluftkühlers werden auf diese Weise deutlich reduziert.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mit dem Förderauslass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromaufwärts eines Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung mündet, da so dass gesamte Verbrennungsgas gemischt und mit einer einheitlichen Temperatur dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Des Weiteren reicht ein Ladeluftkühler zur Kühlung des Abgases und der Luft aus. So können hohe Füllungen durch geringe Temperaturen der Zylinderfrischluftladung erreicht werden.
- Zur Verringerung der Emissionen des ausgestoßenen Abgases mündet die mit dem Druckwellenauslass verbundene Bypassleitung des Druckwellenladers stromaufwärts des Partikelfilters in die Abgasleitung. Entsprechend wird das zur Druckerhöhung genutzte Abgas vor dem Verlassen des Verbrennungsmotors gereinigt.
- Vorzugsweise wird ein Zellenrad des Druckwellenladers über einen Elektromotor angetrieben. Der Energieeintrag bei dieser Anordnung ist extrem gering, da keine wesentliche Leistung übertragen werden muss, sondern lediglich die gasdynamischen Vorgänge in den einzelnen Zelten synchronisiert werden. So kann das System auf veränderliche Schallgeschwindigkeiten im Gas eingestellt werden.
- In einer alternativen Ausführungsform wird das Zellenrad des Druckwellenladers über die Kurbelwelle oder die Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. So entsteht ein zu den Gaswechselvorgängen synchroner Antrieb, ohne jeglichen externen Energieeintrag.
- Es wird somit ein Abgasrückführsystem mit einer exakten Regelbarkeit geschaffen, bei dem sauberes Abgas direkt in die Ladeluftleitung zurückgeführt wird, ohne einen erhöhten Energieeintrag vornehmen zu müssen. Auf zusätzliche Kühler oder Rohrleitungen kann verzichtet werden. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wird durch die Einbringung des Luft-Abgasgemisches mit geringer Temperatur und erhöhtem Druckniveau verbessert.
- Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt ein Schaltbild des Luft- und Abgassystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem in schematischer Darstellung. -
2 zeigt eine Abwicklung eines Druckwellenladers im erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem nach1 in schematischer Darstellung. - In
1 ist ein Verbrennungsmotor10 dargestellt, welcher über eine Ansaugleitung12 mit Verbrennungsgas versorgt wird. In der Ansaugleitung12 ist ein Verdichter14 eines Turboladers16 angeordnet. Stromabwärts des Verdichters14 befindet sich in der Ansaugleitung12 ein Ladeluftkühler18 zur Reduzierung der Temperatur der Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase verlassen den Verbrennungsmotor10 über eine Abgasleitung20 , in welcher eine Turbine22 des Turboladers16 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine22 befinden sich in der Abgasleitung20 ein Partikelfilter24 und ein Katalysator26 , von denen aus das Abgas weiterströmt und die Abgasleitung20 über einen Abgasauslass28 verlässt. - Zur Reduzierung von Schadstoffen zweigt von der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators
26 und des Partikelfilters24 eine Abgasrückführleitung30 ab, welche stromabwärts des Verdichters14 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers18 in die Ansaugleitung12 mündet. Da das Abgas gereinigt hinter dem Partikelfilter24 und dem Katalysator26 entnommen wird, besteht kein Versottungsproblem des Ladeluftkühlers18 . Auch besteht der Vorteil, dass der Verdichter14 nicht mit Kondensat enthaltendem Abgas beaufschlagt wird. Problematisch ist es jedoch, dass ein Druckgefälle von der Mündung der Abgasrückführleitung30 zur Abzweigung der Abgasrückführleitung30 besteht, Daher ist es notwendig, das Abgas aktiv in Richtung zur Ansaugleitung12 zu fördern. - Es ist daher erfindungsgemäß in der Abgasrückführleitung
30 ein Druckwellenlader32 angeordnet. Dieser Druckwellenlader32 wird über einen Elektromotor34 angetrieben, wobei dieser Antrieb keine Leistung zur Komprimierung des Abgases abgibt, sondern lediglich die gasdynamischen Vorgänge in den Zellen36 des Druckwellenladers32 synchronisiert. Das bedeutet, dass er lediglich eine Antriebsleistung zur Bewegung eines Zellenrades38 des Druckwellenladers32 aufbringt, jedoch ohne Energie zur Komprimierung des Abgases aufzuwenden. Im Vergleich zu einem Riemen- oder Kettenantrieb des Zellenrades38 des Druckwellenladers32 ist es beim Antrieb mit dem Elektromotor34 möglich, dessen Drehzahl optimal an die veränderlichen Schallgeschwindigkeiten des Abgases anzupassen. Solche Druckwellenlader32 sind als Suprex- oder Hyprexlader bekannt. - Im Vergleich zu der bekannten Verschaltung eines Druckwellenladers
32 zur Verdichtung der Ansaugluft wird jedoch bei der vorliegenden Erfindung das Abgas sowohl gefördert als auch zur Druckerhöhung genutzt. Hierzu wird ein Fördereinlass40 des Druckwellenladers32 mit der Abgasrückführleitung30 verbunden, welche von der Abgasleitung20 stromabwärts des Katalysators26 und dem Partikelfilter24 abzweigt. Ein Förderauslass42 wird über die Abgasrückführleitung30 mit der Ansaugleitung12 stromabwärts des Verdichters14 verbunden. Auf der etwa axial zum Fördereinlass40 gegenüberliegenden Seite des Zellenrades38 ist der Druckwellenlader32 mit einem Druckwellenauslass44 verbunden, der in eine Bypassleitung46 führt, die in die Abgasleitung20 stromabwärts der Turbine22 und stromaufwärts des Partikelfilters24 mündet, so dass dieses Abgas im Folgenden gereinigt wird. Diese Bypassleitung46 zweigt von der Abgasleitung20 vor der Turbine22 also an einer Position, an der ein hoher Abgasdruck vorliegt, ab und ist an einen Druckwelleneinlass48 des Druckwellenladers32 angeschlossen, der etwa axial gegenüberliegend zum Förderauslass42 des Druckwellenladers32 angeordnet ist. - Die Funktionsweise des Druckwellenladers
32 wird im Folgenden anhand der2 erläutert. Dabei wird eine einzelne Zelle36 betrachtet, welche zunächst mit sauberem Abgas vom Fördereinlass40 gefüllt sei. Bei Drehung der Zelle36 gelangt diese vor die Öffnung des Druckwelleneinlasses48 . Am Druckwelleneinlass48 liegt der Druck des nicht gereinigten Abgases im Hochdruckbereich also stromaufwärts der Turbine22 an. Dieser im Vergleich zum in der Zelle36 aus dem Niederdruckbereich stammenden Abgas deutlich erhöhte Druck führt dazu, dass sich in der Zelle36 eine Druckwelle zur rechten Seite ausbreitet, die zu einer Komprimierung des in der Zelle36 vorhandenen sauberen Gases führt. Wenn diese Druckwelle sich so weit ausgebreitet hat, dass das saubere Gas so stark komprimiert wurde, dass es im wesentlichen den gleichen Druck aufweist wie das vom Druckwelleneinlass48 stammende Gas, öffnet sich das Auslassfenster zum Förderauslass42 . Das saubere Abgas strömt aus und gelangt in die Ansaugleitung12 . Durch die weitere Drehung des Zellenrades38 wird der Förderauslass42 geschlossen bevor das nicht gereinigte Abgas ausströmen kann. Stattdessen wird der an der gleichen Seite wie der Druckwelleneinlass48 angeordnete Druckwellenauslass44 im Folgenden geöffnet. Dies bedeutet, dass die Zelle38 den Druckwellenauslass44 erreicht, wodurch das nicht gereinigte Abgas über die Bypassleitung46 in den Bereich hinter der Turbine22 zurückströmen kann und im Folgenden im Partikelfilter26 und im Katalysator28 gereinigt wird. Dieser Ausschub führt zu einer Unterdruckwelle in der Zelle36 . Durch Weiterdrehen des Zellenrades gelangt die Zelle36 in Verbindung mit dem Fördereinlass40 , über den aufgrund der Unterdruckwelle die Zelle36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt wird, während das nicht gereinigte Abgas ausgeschoben wird. Nun ist die Zelle36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt, so dass der beschriebene Vorgang erneut beginnt. - Daraus folgt, dass sauberes Abgas auf ein Druckniveau erhöht wird, welches über dem Druckniveau der Luft hinter dem Verdichter
14 liegt. Entsprechend liegt ein Druckgefälle vor, was dazu führt, dass eine ausreichende Menge in diesen Hochdruckbereich der Ansaugleitung12 einströmen kann. Dieses Abgas kann im Folgenden im Ladeluftkühler18 gemeinsam mit der verdichteten Luft abgekühlt werden und dem Verbrennungsmotor10 als Frischladung zur Verfügung gestellt werden. Der die Druckwelle bereitstellende nicht gereinigte Abgasstrom des Hochdruckbereiches wird anschließend dem Reinigungsprozess zugeführt. - Dies bedeutet, dass das bei minimaler aufzubringender Leistung gereinigte Abgas dem Verbrennungsprozess zeitnah zur Verfügung gestellt werden kann, so dass eine schnelle Regelbarkeit des Systems gegeben ist. Des Weiteren ist ein Druckwellenlader sehr robust und weist im Vergleich zu Pumpen eine hohe Lebensdauer in aggressiver Atmosphäre auf. So werden gleichzeitig sehr gute Emissionswerte und ein hoher Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erreicht.
- Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschrieben Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sind verschiedene Abgas- und Ansaugsysteme denkbar, für die der Einsatz eines Druckwellenladers zum Zwecke der Förderung zurückgeführten Abgases sinnvoll sein kann. Auch kann der Antrieb des Druckwellenladers über die Nockenwelle oder die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors erfolgen.
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009027639 A1 [0004]
- DE 102010049361 A1 [0005]
Claims (8)
- Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung (
20 ), einer Ansaugleitung (12 ), einem Turbolader (16 ) mit einem Verdichter (14 ), der in der Ansaugleitung (12 ) angeordnet ist und einer Turbine (22 ), die in der Abgasleitung (20 ) angeordnet ist, einer Abgasrückführleitung (30 ), welche von der Abgasleitung (20 ) stromabwärts der Turbine (22 ) abzweigt und in die Ansaugleitung (12 ) stromabwärts des Verdichters (14 ) mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung (30 ), dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung (30 ) ein Druckwellenlader (32 ) angeordnet ist. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fördereinlass (
40 ) des Druckwellenladers (32 ) über die Abgasrückführleitung (30 ) mit der Abgasleitung (20 ) stromabwärts der Turbine (22 ) verbunden ist, ein Förderauslass (42 ) über die Abgasrückführleitung (30 ) mit der Ansaugleitung (12 ) stromabwärts des Verdichters (14 ) verbunden ist, ein Druckwelleneinlass (48 ) über eine Bypassleitung (46 ) mit der Abgasleitung (20 ) stromaufwärts der Turbine (22 ) verbunden ist und ein Druckwellenauslass (44 ) über die Bypassleitung (46 ) mit der Abgasleitung (20 ) stromabwärts der Turbine (22 ) verbunden ist. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Fördereinlass (
40 ) des Druckwellenladers (32 ) verbundene Abgasrückführleitung (30 ) stromabwärts eines Partikelfilters (24 ) von der Abgasleitung (20 ) abzweigt. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Fördereinlass (
40 ) des Druckwellenladers (32 ) verbundene Abgasrückführleitung (30 ) stromabwärts eines Katalysators (26 ) von der Abgasleitung (20 ) abzweigt. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Förderauslass (
42 ) des Druckwellenladers (32 ) verbundene Abgasrückführleitung (30 ) stromaufwärts eines Ladeluftkühlers (18 ) in die Ansaugleitung (12 ) mündet. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Druckwellenauslass (
44 ) verbundene Bypassleitung (46 ) des Druckwellenladers (32 ) stromaufwärts des Partikelfilters (24 ) in die Abgasleitung (20 ) mündet. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellenrad (
38 ) des Druckwellenladers (32 ) über einen Elektromotor (34 ) angetrieben ist. - Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellenrad (
38 ) des Druckwellenladers (32 ) über die Kurbelwelle oder die Nockenwelle des Verbrennungsmotors (10 ) angetrieben ist.
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