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Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen insbesondere als Abgaskrümmer ausgebildeten Abgaskanal, an dem ein Abgasrückführkanal angeschlossen ist, in dem ein Abgasrückführventil angeordnet ist.
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Abgasrückführsysteme der Eingangs genannten Art sind beispielsweise zu entnehmen aus der
DE 10 2010 038 326 A1 oder der
DE 10 2010 007 092 A1 . Die Abgasrückführsysteme werden oftmals zur Minderung der Emission von Stickstoffoxiden eingesetzt, welche bei der Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren entstehen. Hinsichtlich des Umweltschutzes ist es hierbei sinnvoll, bereits während des Verbrennungsprozesses die Entstehung von Stickstoffoxiden möglichst gering zu halten.
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Wird der für die Verbrennung eingesetzten Frischluft Abgas zugemischt, sinkt hierdurch die Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches. Dadurch sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit sowie die Verbrennungstemperatur für die Kraftstoffmoleküle innerhalb des Verbrennungsmotors. Aufgrund einer exponentiellen Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit der Stickstoffoxidbildung von der Verbrennungstemperatur wird hierdurch die Stickstoffoxidbildung beim Verbrennungsprozess reduziert.
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Insbesondere bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickstoffoxidemission und der Einhaltung vorgeschriebener Abgasvorschriften, da lediglich der Einsatz von Abgasnachbehandlungen (beispielsweise mittels eines Abgaskatalysators) hierzu nicht ausreichend ist.
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Die Menge des zurückgeführten Abgases, beziehungsweise des Abgasrückführmassenstroms ist abhängig von dem Öffnungsgrad des Abgasrückführventils.
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Durch das Öffnen des Abgasrückführventils entsteht eine strömungstechnische Verbindung zwischen einem Abgastrakt und einem Frischlufttrakt des Verbrennungsmotors. Typischerweise wird der Abgastrakt im Bereich zwischen einem Auslassventil und einem Abgasturboladers des Verbrennungsmotors mittels des Abgasrückführventils angezapft. Das hierbei abgezweigte Abgas wird dem Frischlufttrakt strömungstechnisch abwärts des Abgasturboladers wieder zugeführt. Bei einem vollständig geöffneten Abgasrückführventil wird der größtmögliche Abgasrückführmassenstrom durch die Druckdifferenz zwischen der abgasseitigen Abgasentnahme und der frischluftseitigen Abgaszuführungsstelle beeinflusst.
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Zur Erfüllung stetig strengerer Abgasvorschriften sind stetig höhere Abgasrückführmassenströme notwendig. Die höheren Abgasrückführmassenströme wirken sich hierbei jedoch negativ auf den Wirkungsgrad moderner Abgasturbolader aus. Dadurch nimmt die für den Abgasrückführmassenstrom notwendige Druckdifferenz aufgrund einer stetigen Verbesserung des Abgasturboladers ab. Bei dem aktuellen Stand der Technik ist somit die steigende Nachfrage nach höheren Abgasrückführmassenströmen begrenzt, da diese direkt von der Druckdifferenz beeinflusst sind. Aufgrund von Druckschwingungen im Abgastrakt kommt es weiterhin zu Pulsationen des Abgases im Abgasrückführkanal. Insbesondere bei einer geringen Druckdifferenz tritt hierbei ein „hin-und-her”-Schwingen der Abgasmassensäule innerhalb des Abgasrückführkanals auf. Dadurch kommt es effektiv kaum zu einem Abgastransport.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor anzugeben, das hinsichtlich der Abgasrückführrate für bestehende und zukünftige Abgasvorschriften möglichst optimiert ist. Insbesondere soll der Betriebsbereich zur Bereitstellung eines Abgasrückführmassenstromes möglichst weitestgehend erweitert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Bezüglich eines mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem ausgestatteten Kraftfahrzeugs wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hierzu umfasst ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor einen Abgaskanal, an dem ein Abgasrückführkanal angeschlossen ist, in dem ein Abgasrückführventil angeordnet ist. Der Abgaskanal ist dabei vorzugsweise durch einen Abgaskrümmer gebildet. Nachfolgend wird daher der Abgaskanal als Abgaskrümmer bezeichnet. Im Abgasrückführkanal ist ein Rückschlagventil angeordnet. Hierdurch wird die Abgasrückführrate erhöht beziehungsweise der Betriebsbereich zur Bereitstellung des Abgasrückführmassenstromes erweitert, da das Rückschlagventil die Nutzung der Pulsation einer „hin-und-her”-schwingenden Abgasmassensäule im Abgasrückführkanal ermöglicht.
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Das insbesondere bei einer geringen Druckdifferenz auftretende „hin-und-her”-Schwingen der Abgasmassensäule innerhalb des Abgasrückführkanals wird durch den Einsatz des Rückschlagventils vorteilhaft und einfach vermieden. Bei einer pulsierenden Abgasmassensäule öffnet das Rückschlagventil lediglich in eine Richtung und ermöglicht somit eine gerichtete Förderung der Abgasmasse aus dem schwingenden Pulsationsanteil. Durch diese zusätzliche Konvertierung des Pulsationsanteils in eine (gleich-)gerichtete Abgasrückführmasse wird die gesamte Abgasrückführrate erhöht.
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Hieraus ergeben sich eine Reihe von funktionellen Vorteilen, unter anderem eine Verbesserung der Emissionswerte hinsichtlich von Stickstoffoxiden, eine Kostenreduktion aufgrund von einem möglichem Verzicht auf weitere kostenintensivere Maßnahmen zur Erhöhung der Abgasrückführrate (beispielsweise Kühlsysteme) sowie ein ermöglichter Verzicht auf weitere Komponenten in der Abgasnachbehandlung zur Reduktion der Stickstoffoxide.
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Bei dem Verbrennungsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Dieselmotor umfassend einen Abgasturbolader mit einer Turbine sowie einem Verdichter. Weiterhin weist der Verbrennungsmotor eine Drossel mit einem einstellbaren Öffnungsgrad auf, die vorzugsweise im Frischlufttrakt stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist. Das Abgasrückführungssystem zweigt Abgas stromaufwärts der Turbine ab und führt es stromabwärts der Drossel dem Frischlufttrakt hinzu.
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Um sicherzustellen, dass eine möglichst hohe Abgasrückführrate erreicht wird, öffnet das Rückschlagventil in einer vorteilhaften Ausführung lediglich in Richtung stromaufwärts des Abgaskrümmers hin. Insbesondere ist das Rückschlagventil in einer bevorzugten Weiterbildung zusätzlich zum Abgasrückführventil und insbesondere zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasrückführventil angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass ein möglichst großer Anteil des schwingenden Abgasrückführmassenstromes erfasst wird. Auf jeden Fall ist das Rückschlagventil bevorzugterweise stets nahe der Abgasentnahmeposition angeordnet.
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In einer geeigneten Weiterbildung öffnet das Rückschlagventil bereits bei einem geringen Druckgradienten im Bereich kleiner gleich 50 mbar. Dadurch ist das Abgasrückführsystem auch auf Betriebsbereiche erweitert, in welchen aufgrund von sehr geringen Druckdifferenzen zwischen dem Frischlufttrakt und dem Abgastrakt ansonsten keine oder nur sehr geringe Abgasraten bereitstellbar sind.
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Zum Zwecke einer langen Lebensdauer ist die Ausführungsform und das Material des Rückschlagventils derart gewählt, dass es eine hohe Haltbarkeit entsprechend der häufigen Öffnungsvorgänge, eine hohe Temperatur- und Abgasbeständigkeit, einen möglichst geringen Strömungswiderstand beim Öffnen sowie eine hohe Dichtigkeit aufweist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Rückschlagventil hierzu als ein Membranventil, als ein Flatterventil oder als Mäanderventil ausgeführt.
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In einer ebenso geeigneten alternativen Ausgestaltung ist das Rückschlagventil als eine federbelastete Rückschlagarmatur ausgeführt. Die Rückschlagarmatur ist in einer vorteilhaften Ausführung insbesondere etwa kegelförmig ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rückschlagarmatur im Wesentlichen ein gerader Kreiskegel, der in einem verengten Bereich zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasrückführventil angeordnet ist. Die Grundfläche des Kreiskegels ist hierbei vorzugsweise derart bemessen, dass die Rückschlagarmatur die Verengung im geschlossenen Zustand hermetisch abdichtet. Der Kegel wird von einer Feder auf die Verengung gedrückt und verschließt somit strömungstechnisch den Durchgang. Erhöht sich die Druckdifferenz, so wird der Kegel entgegen der Federkraft eingedrückt, sodass Abgas durch den Abgasrückführkanal zum Frischlufttrakt geleitet wird. Hierbei wird vorzugsweise eine weiche Feder mit einer geringen Federstärke verwendet, sodass die Rückschlagarmatur bereits bei geringen Druckdifferenzen die Verengung freigibt.
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Zum Zwecke eines verbesserten Strömungsverhaltens sowie zur Vermeidung von auftretenden Turbulenzen innerhalb des Abgasrückführkanals weist der Abgasrückführkanal in einer vorteilhaften Weiterbildung zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasrückführventil einen Umlenkbereich auf, in dem die Rückschlagarmatur angeordnet ist. Insbesondere weist der Abgasrückführkanal in einer bevorzugten Ausgestaltung im Umlenkbereich eine Ausbuchtung auf, in der die Rückschlagarmatur gelagert ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, einem Abgaskrümmer und einer Abgasrückführung,
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2 in schematischer Darstellung den Abgaskrümmer mit einem daran angeschlossenen Abgasrückführkanal mit einer federgelagerten Rückschlagarmatur als Rückschlagventil, und
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3 in schematischer Darstellung eine alternative Ausführungsform des Rückschlagventils als Flatterventil, sowie
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4 ein schematisches Diagramm zur Illustration der Wirkungsweise.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dem in 1 dargestellte Verbrennungsmotor 2 ist ein Abgasturbolader 4 sowie ein Abgaskrümmer 6 zugeordnet, an dem ein Abgasrückführkanal 8 als Teil eines Abgasrückführsystems 10 angeschlossen ist. Der Verbrennungsmotor 2 weist in dieser Ausführungsform vier, durch Kreise schematisch dargestellte, Zylinder 12 auf, von denen lediglich einer beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen ist. Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einem frischluftseitigen Frischlufttrakt 14 zur Versorgung der Zylinder 12 mit sauerstoffhaltiger Frischluft F sowie mit einem Abgastrakt 16 zum Abtransport von Abgasen A verbunden.
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Abgase A, die bei einer Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 12 entstehen, werden durch den Abgaskrümmer 6 abgeleitet und durch den Abgastrakt 16 einer Turbine 18 des Abgasturboladers 4 zugeführt. Die Turbine 18 treibt in einer nicht näher dargestellten Art und Weise einen frischluftseitigen Verdichter 20 des Abgasturboladers 4 an. Stromabwärts des Verdichters 20 ist ein Frischluftkühler 22 angeordnet, der die Frischluft F auf eine bestimmte Temperatur herunterkühlt.
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Stromabwärts des Frischluftkühlers 22 ist eine Drosselklappe 24 angeordnet. Die Drosselkappe 24 weist einen einstellbaren Öffnungsgrad zur Regulierung der Frischluftzuführung auf.
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Abgase A werden über den Abgasrückführkanal 8 stromaufwärts der Turbine 18 abgezweigt und stromabwärts der Drosselklappe 24 zur Vermischung mit der Frischluft F zugeführt. Der zurückgeführte Abgasmassenstrom ist hierbei abhängig von dem Öffnungsgrad eines Abgasrückführventils 26. Bei einem vollständig geöffneten Abgasrückführventil 26 wird der größtmögliche Abgasrückführmassenstrom innerhalb des Abgasrückführkanals 8 durch die Druckdifferenz ΔP zwischen dem abgasseitigen Druck PA im Bereich der Abgasentnahme stromaufwärts der Turbine 18, sowie dem frischluftseitigen Druck PF im Bereich der Abgaszuführungsstelle stromabwärts der Drosselklappe 24 beeinflusst. Zur Regulierung der Abgastemperatur umfasst das Abgasrückführsystem 10 einen Abgaskühler 28.
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Bei einer geringen Druckdifferenz ΔP tritt eine im Wesentlichen „hin-und-her”-schwingende Abgasmassensäule innerhalb des Abgasrückführkanals 8 auf, so dass im Mittel kein Abgasmassenstrom zurückgeführt wird. Um hierzu entgegenzuwirken ist im Bereich der Abgasentnahme zweckmäßigerweise ein Rückschlagventil 30 angeordnet. Bei einer pulsierenden/schwingenden Abgasmassensäule öffnet das Rückschlagventil 30 lediglich in eine Richtung und ermöglicht somit eine (gleich-)gerichtete Förderung der Abgasmasse aus dem schwingenden Pulsationsanteil. Dadurch wird die gesamte Abgasrückführrate des Abgasrückführsystems 10 erhöht. In einer geeigneten Dimensionierung öffnet das Rückschlagventil 30 bei einer Druckdifferenz ΔP von kleiner gleich etwa 50 mbar.
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Das Rückschlagventil 30 ist im Ausführungsbeispiel zusätzlich zum Abgasrückführventil 26 zwischen dem Abgaskrümmer 6 und dem Abgasrück-führventil 26 im Abgasentnahmebereich angeordnet. Die Öffnungsrichtung des Rückschlagventils 30 ist lediglich in Richtung stromaufwärts des Abgaskrümmers 6. Zum Zwecke einer möglichst langen Lebensdauer ist die Ausführungsform und das Material des Rückschlagventils 30 derart gewählt, dass es eine hohe Haltbarkeit entsprechend der häufigen Öffnungsvorgänge, eine hohe Temperatur- und Abgasbeständigkeit, einen möglichst geringen Strömungswiderstand beim Öffnen, sowie eine hohe Dichtigkeit aufweist.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform des Rückschlagventils 30 als eine federbelastete Rückschlagarmatur 32 ausgeführt. Die Rückschlagarmatur 32 umfasst im Wesentlichen ein Federelement 34 und einen etwa kegelförmigen Rückschlagkopf 36.
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Der Rückschlagkopf 36 ist im Wesentlichen ein gerader Kreiskegel, der in einer Verengung 38 zwischen dem Abgaskrümmer 6 und dem Abgasrückführventil 26 angeordnet ist. Die Grundfläche des Kreiskegels ist hierbei derart bemessen, dass der Rückschlagkopf 36 die Verengung 38 im geschlossenen Zustand hermetisch abdichtet. Der Rückschlagkopf 36 wird von dem Federelement 34 auf die Verengung 38 gedrückt und verschließt somit strömungstechnisch den Durchgang.
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Bei einer hinreichend hohen Druckdifferenz ΔP, so wird der Rückschlagkopf 36 entgegen der Federkraft des Federelements 34 eingedrückt, sodass Abgase A durch den Abgasrückführkanal 8 zum Frischlufttrakt 14 geleitet werden.
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Zur Vermeidung von auftretenden Turbulenzen weist der Abgasrückführkanal 8 zwischen dem Abgaskrümmer 6 und dem Abgasrückführventil 26 einen Umlenkbereich 40 mit einer Ausbuchtung 42 auf, in der die Rückschlagarmatur 32 zumindest teilweise angeordnet ist.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des Rückschlagventils 30 als ein Flatterventil 44 dargestellt. Das Flatterventil 44 ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen ein biegeweiches Metallplättchen, das bei einer hinreichend hohen Druckdifferenz ΔP von einer Schließposition auf eine Offenposition reversibel gebogen wird. Die Offenposition ist in 3 gestrichelt angedeutet. In dieser Ausführungsvariante ist das Flatterventil 44 zwischen dem Abgaskrümmer 6 und dem Abgasrückführventil 26 ohne einen Umlenkbereich 40 angeordnet.
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Anhand der 4 ist schematisch die Wirkungsweise des Rückschlagventils 30 dargestellt. In dem Diagramm ist gegenüber der Zeit t einerseits die kumulierte Abgasmenge Ak aufgetragen, welche durch den Abgasrückführkanal 8 strömt und andererseits der Druck P gegenüber der Zeit t. Und zwar ist zum Einen der Verlauf des Drucks P1 im Abgaskrümmer 8 im Bereich des Rückschlagventils 30 und andererseits der Druck P2 im Abgasrückführkanal 8 stromaufwärts des Rückschlagventils 30 aufgetragen. Wie anhand des Diagramms zu erkennen ist, weist der Druck P1 im Abgaskrümmer 8 einen typischen, wellenförmigen, pulsierenden Verlauf auf. Durch die gestrichelte Linie ist ein mittlerer Druck im Abgaskrümmer 6 gekennzeichnet. Wie anhand der beiden unteren durchgezogenen Linien zu erkennen ist, steigt zunächst die kumulierte Menge des Abgases A kontinuierlich bis zum ersten Maximum des Drucks P1 im Abgaskrümmer 6 an. Aufgrund der Pulsation schwingt ab diesem Zeitpunkt die „Abgassäule” ohne die Verwendung eines Rückschlagventils 30 lediglich noch hin und her, so dass keine zusätzliche Abgas-Menge transportiert wird. Diese Situation ist durch die untere Linie Ak2 dargestellt.
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Bei der Verwendung eines Rückschlagventils 30 steigt demgegenüber die kumulierte Menge des Abgases Ak kontinuierlich an, wie dies durch die durchgezogene Linie gemäß Ak1 illustriert ist.
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Die obere durchgezogene Linie repräsentiert schließlich das Druckniveau P2 im Abgasrückführkanal 8 nach dem Rückstromventil 30 in schematisierter Weise.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verbrennungsmotor
- 4
- Abgasturbolader
- 6
- Abgaskrümmer
- 8
- Abgasrückführkanal
- 10
- Abgasrückführsystem
- 12
- Zylinder
- 14
- Abgastrakt
- 16
- Abgastrakt
- 18
- Turbine
- 20
- Verdichter
- 22
- Frischluftkühler
- 24
- Drosselklappe
- 26
- Abgasrückführventil
- 28
- Abgaskühler
- 30
- Rückschlagventil
- 32
- Rückschlagarmatur
- 34
- Federelement
- 36
- Rückschlagkopf
- 38
- Verengung
- 40
- Umlenkbereich
- 42
- Ausbuchtung
- 44
- Flatterventil
- A
- Abgas
- F
- Frischluft
- PF
- Druck
- PA
- Druck
- ΔP
- Druckdifferenz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038326 A1 [0002]
- DE 102010007092 A1 [0002]
