DE102014112187A1

DE102014112187A1 - Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102014112187A1
Application number: DE102014112187.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rothgang; Martin Nowak; Michael-Thomas Benra; Martin Krucinski
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Also published as: EP2990634A1

Abstract

Es sind Abgasrückführsysteme für Verbrennungsmotoren mit einem Abgasrückführkanal (26, 68, 70), über den ein Abgaskrümmer (30, 60, 62) des Verbrennungsmotors (10) fluidisch mit einem Ansaugkanal (24) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, einem Gehäuse (40, 78) im Abgasrückführkanal (26, 68, 70), an dem ein Abgaseinlass (50, 80, 82) und ein Abgasauslass (52, 84, 86) ausgebildet sind und einem Kugelventil (38, 72) mit einer durchgehenden Durchgangsöffnung (48, 88, 90), welches in dem Gehäuse (40, 78) zwischen dem Abgaseinlass (50, 80, 82) und dem Abgasauslass (52, 84, 86) drehbar angeordnet ist, bekannt. Um die mögliche zurückgeführte Abgasmenge zu vergrößern, wird vorgeschlagen, dass das Kugelventil (38, 72) zumindest bei unverändertem Lastzustand des Verbrennungsmotors (10) mit einem festen Drehzahlverhältnis zu einer Auslassnockenwelle (20) zur Betätigung von Auslassventilen (16) des Verbrennungsmotors (10) angetrieben ist.Exhaust gas recirculation systems for internal combustion engines having an exhaust gas recirculation passage (26, 68, 70) via which an exhaust manifold (30, 60, 62) of the internal combustion engine (10) is fluidically connected to an intake passage (24) of the internal combustion engine (10), a housing ( 40, 78) in the exhaust gas recirculation passage (26, 68, 70), at which an exhaust gas inlet (50, 80, 82) and an exhaust gas outlet (52, 84, 86) are formed and a ball valve (38, 72) with a through-hole ( 48, 88, 90) rotatably disposed in the housing (40, 78) between the exhaust gas inlet (50, 80, 82) and the exhaust gas outlet (52, 84, 86). In order to increase the possible recirculated exhaust gas amount, it is proposed that the ball valve (38, 72) at least at unchanged load state of the internal combustion engine (10) with a fixed speed ratio to an exhaust camshaft (20) for actuating exhaust valves (16) of the internal combustion engine (10). is driven.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführkanal, über den ein Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors fluidisch mit einem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors verbunden ist, einem Gehäuse im Abgasrückführkanal, an dem ein Abgaseinlass und ein Abgasauslass ausgebildet sind, einem Kugelventil mit einer durchgehenden Durchlassöffnung, welches in dem Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass drehbar angeordnet ist.The invention relates to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation passage, via which an exhaust manifold of the internal combustion engine is fluidly connected to an intake passage of the internal combustion engine, a housing in the exhaust gas recirculation passage, on which an exhaust inlet and an exhaust outlet are formed, a ball valve with a through-passage opening, which is rotatably disposed in the housing between the exhaust inlet and the exhaust outlet.

Die Abgasrückführung dient zur Reduzierung von Schadstoffen im Abgas, indem das aus dem Zylinder ausgestoßene Abgas dem Zylinder je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors wieder zugeführt wird. Zur Regelung der zurückgeführten Abgasmenge werden Abgasrückführventile verwendet, die üblicherweise als Hubventile oder als Klappen ausgeführt werden. Durch den Ausstoß von Abgas aus dem Zylinder und die Ansaugung der Verbrennungsluft in den Zylinder aufgrund der Kolbenbewegung entstehen im Abgasstrang, insbesondere bei einer zylindernahen Abgasrückführung über einen Abgashochdruckstrang Pulsationen, also Phasen in denen ein erhöhter Abgasstrom über den Abgasrückführkanal strömt und Phasen, in denen gegebenenfalls sogar Abgas in die entgegengesetzte Richtung strömen kann. Entsprechend ist die Gesamtströmung lediglich abhängig vom gemittelten anliegenden Druckgefälle. Um ein solches Rückströmen zu verhindern, ist es bekannt, Rückschlagventile im Abgasrückführkanal anzuordnen, die zumeist als Blattfederventile ausgeführt werden.The exhaust gas recirculation serves to reduce pollutants in the exhaust gas by the exhaust gas discharged from the cylinder is fed back to the cylinder depending on the load state of the internal combustion engine. To control the amount of recirculated exhaust gas recirculation valves are used, which are usually designed as a lift valves or flaps. By the emission of exhaust gas from the cylinder and the intake of the combustion air into the cylinder due to the piston movement arise in the exhaust system, especially in a cylinder near exhaust gas recirculation via a high-pressure exhaust pulsations, ie phases in which an increased exhaust gas flow through the exhaust gas recirculation channel and phases in which, where appropriate even exhaust gas can flow in the opposite direction. Accordingly, the total flow is only dependent on the average applied pressure gradient. In order to prevent such a backflow, it is known to arrange check valves in the exhaust gas recirculation channel, which are usually designed as leaf spring valves.

Sowohl bei den bekannten Abgasrückführventilen als auch bei den bekannten Rückschlagventilen besteht vor allem bei großvolumigen Motoren das Problem ausreichende Öffnungsquerschnitte freizugeben, um auch bei einem geringen treibenden Druckgefälle ausreichend Abgas zurückführen zu können. Both in the known exhaust gas recirculation valves and in the known check valves, especially in large-volume engines, the problem is to release sufficient opening cross sections to be able to reduce sufficient exhaust even at a low driving pressure gradient.

Aus diesem Grund wird in der EP 2 236 872 A1 vorgeschlagen, das Abgasrückführventil als Kugelventil auszuführen. Ein solches Kugelventil hat den Vorteil, dass bei Öffnung des Ventils der gesamte Kanalquerschnitt für die Strömung zur Verfügung steht. Entsprechend wird dieses Kugelventil um 90° drehbar im Gehäuse angeordnet und kann über einen Aktor zwischen diesen Positionen zur Regelung des Abgasmassenstroms im Abgasrückführkanal hin- und herbewegt werden. Abgaspulsationen werden bei Verwendung dieses Ventils vollständig über den freien Querschnitt übertragen. For this reason, in the EP 2 236 872 A1 proposed to perform the exhaust gas recirculation valve as a ball valve. Such a ball valve has the advantage that when the valve is opened, the entire channel cross-section is available for the flow. Accordingly, this ball valve is arranged rotatable by 90 ° in the housing and can be reciprocated via an actuator between these positions to control the exhaust gas mass flow in the exhaust gas recirculation passage. Exhaust pulsations are completely transmitted over the free cross section when using this valve.

Ein bekanntes Abgasrückschlagventil wird beispielsweise in der DE 199 53 198 A1 beschrieben. Dieses Ventil besteht aus zwei nebeneinander Prismen, an deren Seite Blattfederelemente eingespannt sind, die bei positivem Druckgefälle geöffnet werden und bei negativem Druckgefälle schließen. Dabei ist jedes Prisma mit einer Flut eines zweiflutigen Abgassystems verbunden wie dies bei großvolumigen Motoren bekannt ist. Problematisch ist bei diesem Ventil der relativ kleine zu öffnende Querschnitt des Ventils, was die zurückzuführenden Abgasmengen deutlich beschränkt. A well-known exhaust gas check valve, for example, in the DE 199 53 198 A1 described. This valve consists of two side by side prisms, on whose side leaf spring elements are clamped, which are opened at a positive pressure gradient and close at a negative pressure gradient. Each prism is connected to a flood of a dual-flow exhaust system as is known in large-volume engines. The problem with this valve is the relatively small opening cross-section of the valve, which clearly limits the amounts of exhaust gas to be returned.

Auch sind Abgasrückführsysteme bekannt, welche zyklusgenau das Abgas einzelnen Zylindern zuordnen. Ein solches System wird in der EP 2 017 457 A2 beschrieben. Über ein mit der Nockenwelle gekoppeltes umlaufendes Verteilerelement mit einer zur Anzahl der Zylinder korrespondierenden Anzahl an Auslässen wird Abgas zylinderselektiv und einlassventilsynchron zurückgeführt. Neben der sehr aufwendigen konstruktiven Gestaltung des Verteilerelementes überträgt dieses weiterhin im Abgasstrom vorhandene Pulsationen. Exhaust gas recirculation systems are also known which assign the individual cylinders to the exhaust gas to the exact cycle. Such a system is used in the EP 2 017 457 A2 described. By way of a revolving distributor element coupled to the camshaft with a number of outlets corresponding to the number of cylinders, exhaust gas is recirculated in a cylinder-selective manner and in an intake valve synchronous manner. In addition to the very complex structural design of the distributor element this transmits further existing in the exhaust gas flow pulsations.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem bereit zu stellen, mit dem der zurückgeführte Abgasmassenstrom erhöht werden kann, indem die im Abgasstrang vorhandenen Pulsationen genutzt werden, um einerseits die Auswirkungen durch ein negatives Spülgefälle zu eliminieren und andererseits ein vorhandenes positives Spülgefälle möglichst optimal zu nutzen. It has as its object to provide an exhaust gas recirculation system, with which the recirculated exhaust gas mass flow can be increased by the existing pulsation in the exhaust system are used, on the one hand to eliminate the effects of a negative purge gradient and on the other hand to use an existing positive purge gradient as optimal as possible ,

Diese Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an exhaust gas recirculation system having the features of the main claim 1.

Dadurch, dass das Kugelventil zumindest bei unverändertem Lastzustand des Verbrennungsmotors mit einem festen Drehzahlverhältnis zu einer Auslassnockenwelle zur Betätigung der Auslassventile des Verbrennungsmotors angetrieben ist, wird es möglich, das Kugelventil so zu betreiben, dass das vollständige positive Druckgefälle jeder Pulsation genutzt wird, während ein negatives Spülgefälle, welches ein Rückströmen verursachen würde, abgesperrt wird. Entsprechend wirkt das Kugelventil wie ein Rückschlagventil jedoch aufgrund des großen Öffnungsquerschnitts bei voller Nutzung der zur Verfügung stehenden Abgasmenge. Unter festem Drehzahlverhältnis wird dabei verstanden, dass einer Position der Nockenwelle immer eine bestimmte Position des Kugelventils zuzuordnen ist. Die Drehzahl des Kugelventils oder der Nockenwelle kann somit immer ein Vielfaches des jeweils anderen Bauteils betragen.Due to the fact that the ball valve is driven at a fixed speed ratio to an exhaust camshaft for actuating the exhaust valves of the internal combustion engine at least when the load state of the internal combustion engine is unchanged, it becomes possible to operate the ball valve so that the full positive pressure gradient of each pulsation is utilized while a negative Purge gradient, which would cause a backflow is shut off. Accordingly, the ball valve acts like a check valve, however, due to the large opening cross-section with full utilization of the available amount of exhaust gas. Under a fixed speed ratio is understood that a position of the camshaft is always assigned to a specific position of the ball valve. The speed of the ball valve or the camshaft can thus always be a multiple of the other component.

Vorzugsweise ist im Abgasrückführkanal ein Abgasrückführventil stromaufwärts des Kugelventils angeordnet, über welches die zurückgeführte Abgasmenge geregelt wird, so dass das Kugelventil lediglich die Funktion als Rückschlagventil erfüllt. Mit dieser Ausführung ist eine sehr genaue Mengenregelung möglich.Preferably, an exhaust gas recirculation valve upstream of the ball valve is arranged in the exhaust gas recirculation passage, via which the recirculated exhaust gas amount is controlled, so that the ball valve only fulfills the function of a check valve. With This version is a very accurate flow control possible.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Abgasrückführventil und dem Kugelventil ein Abgaskühler angeordnet ist. Dies verringert die thermische Belastung des Kugelventils, wodurch eine erhöhte Lebensdauer erreicht wird.In addition, it is advantageous if an exhaust gas cooler is arranged between the exhaust gas recirculation valve and the ball valve. This reduces the thermal load on the ball valve, resulting in increased life.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehung des Kugelventils zur Drehung der Nockenwelle phasenverschiebbar. Eine solche Phasenverschiebung kann einerseits genutzt werden, um bei sich ändernden zeitlichen Verläufen des positiven Druckstoßes immer den optimalen Drehwinkel zur Nockenwelle einstellen zu können oder es ist möglich, auf diese Weise eine Abgasmengenregelung durchzuführen, indem bewusst die volle Öffnung des Kugelventils nur zur Verfügung gestellt wird, wenn auch eine maximale Abgasmenge gefordert ist. Umgekehrt kann der Abgasstrom durch ein Versetzen des Drehwinkels des Kugelventils um 90° zu dem Drehwinkel, bei dem die zurückgeführte Abgasmenge maximal wird, auch abgesperrt werden. Bei einer derartigen Ausführung kann auf zusätzliche Abgasrückführventile zur Mengenregelung verzichtet werden. In a particularly advantageous embodiment, the rotation of the ball valve for rotation of the camshaft is phase-shifted. On the one hand, such a phase shift can be used in order to always be able to set the optimum angle of rotation with the camshaft with changing time profiles of the positive pressure surge or it is possible to carry out an exhaust gas quantity control by deliberately making available the full opening of the ball valve only , although a maximum amount of exhaust gas is required. Conversely, by offsetting the angle of rotation of the ball valve by 90 ° to the angle of rotation at which the amount of recirculated exhaust gas becomes maximum, the flow of exhaust gas may be shut off. In such an embodiment can be dispensed with additional exhaust gas recirculation valves for flow control.

Vorzugsweise ist das Kugelventil über einen Elektromotor angetrieben. Dieser wird üblicherweise mit einer zur Nockenwelle synchronen Drehzahl betrieben, falls keine Phasenverschiebung gewünscht ist. Für eine solche Phasenverschiebung wäre lediglich eine kurzzeitige Änderung der Drehzahl erforderlich. Preferably, the ball valve is driven by an electric motor. This is usually operated with a synchronous to the camshaft speed, if no phase shift is desired. For such a phase shift only a short-term change of the speed would be required.

Alternativ ist das Kugelventil über einen mit der Nockenwelle verbundenen Riementrieb oder Kettentrieb angetrieben. So müssen keine zusätzlichen Energie verbrauchenden Antriebsaggregate verwendet werden. Alternatively, the ball valve is driven via a belt drive connected to the camshaft or chain drive. So no additional energy consuming drive units must be used.

In einer bevorzugten Weiterführung des Abgasrückführsystems entspricht die Drehzahl des Kugelventils der halben Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors. Somit öffnet das Kugelventil, welches zwei um 180° versetzte Öffnungspositionen aufweist, jeweils so, dass jedem Ausstoß von Abgas aus jedem Zylinder bei geöffnetem Auslassventil am Verbrennungsmotor genau eine Öffnung des Kugelventils zuzuordnen ist. In a preferred continuation of the exhaust gas recirculation system, the rotational speed of the ball valve corresponds to half the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders of the internal combustion engine. Thus, the ball valve, which has two offset by 180 ° opening positions, in each case so that each emission of exhaust gas from each cylinder with an open exhaust valve on the engine exactly one opening of the ball valve is assigned.

In einer besonderen Ausbildung des Abgassystems weist der Verbrennungsmotor zwei getrennte Zylinderbänke auf, wobei jeder Zylinderbank ein Abgasrückführkanal zugeordnet ist, wobei in beiden Abgasrückführkanälen jeweils ein Kugelkörper eines als Doppelkugelventil ausgebildeten Kugelventils angeordnet ist. Die Trennung der Zylinderbänke verhindert einerseits Überlagerungen der Abgaspulsationen bei größeren Volumina und verhindert zu große Kanalquerschnitte. Die Kugelventile wirken bei dieser Ausbildung wie Rückschlagventile, die ein Rückströmen von Abgas verhindern und eine vollständige Öffnung des Durchströmungsquerschnitts beim größten treibenden Druckgefälle sicherstellen. In a particular embodiment of the exhaust system, the internal combustion engine has two separate cylinder banks, wherein each cylinder bank is assigned an exhaust gas recirculation channel, wherein in both exhaust gas recirculation channels in each case a spherical body of a ball valve designed as a double ball valve is arranged. The separation of the cylinder banks prevents superpositions of the exhaust gas pulsations on larger volumes and prevents too large channel cross sections. The ball valves act in this embodiment as check valves, which prevent backflow of exhaust gas and ensure complete opening of the flow cross-section at the greatest driving pressure gradient.

In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung sind die Kugelkörper des Doppelkugelventils miteinander gekoppelt und gemeinsam angetrieben, wobei eine im ersten Kugelkörper ausgebildete Durchgangsöffnung um 90° drehversetzt zu einer im zweiten Kugelkörper ausgebildeten Durchgangsöffnung angeordnet ist. Eine derartige Ausführung ermöglicht die gemeinsame Aktuierung der beiden den Zylinderbänken zugeordneten Kugelkörper, so dass diese als Rückschlagventile jeweils abwechselnd zu den optimalen Zeiten öffnen und schließen, um in beiden Zylinderbänken die Abgaspulsationen optimal nutzen zu können. In a further development of the invention, the spherical body of the double ball valve are coupled together and driven together, wherein a through opening formed in the first ball body is arranged offset by 90 ° to a formed in the second spherical body through hole. Such an embodiment enables the common actuation of the two spherical bodies associated with the cylinder banks, so that they open and close as check valves, alternately at the optimum times, in order to make optimal use of the exhaust gas pulsations in both cylinder banks.

Um ein Öffnen der Rückschlagventile für jedes Öffnen jedes Auslassventils an den Zylindern im Ausschiebeprozess sicher zu stellen, entspricht die Drehzahl des Doppelkugelventils einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder.To ensure opening of the check valves for each opening of each exhaust valve on the cylinders in the exhaust process, the speed of the double ball valve is one quarter of the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders.

Es wird somit ein Abgasrückführsystem geschaffen, mit dem die maximal zurückzuführende Abgasmenge im Vergleich zu bekannten Ausführungen erhöht werden kann, da die Abgaspulsationen voll ausgenutzt werden, indem einerseits ein freier zur Verfügung stehender Durchströmungsquerschnitt bei positivem Druckgefälle erhöht wird und andererseits ein Rückströmen bei anliegendem negativen Druckgefälle verhindert wird.Thus, an exhaust gas recirculation system is provided with which the maximum amount of exhaust gas can be increased in comparison to known designs, since the exhaust gas pulsations are fully utilized, on the one hand a free available flow area is increased at a positive pressure gradient and on the other hand, a return flow at adjacent negative pressure gradient is prevented.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. An embodiment of an exhaust gas recirculation system according to the invention is shown in the figures and will be described below.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems. 1 shows a schematic representation of an exhaust gas recirculation system according to the invention.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems. 2 shows a schematic representation of an alternative exhaust gas recirculation system according to the invention.

3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kugelventils, wie es für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem verwendet wird. 3 shows a schematic side view of a ball valve, as it is used for an inventive exhaust gas recirculation system.

Das erfindungsgemäße, in 1 dargestellte Abgasrückführsystem besteht aus einem Verbrennungsmotor 10 mit sechs Zylindern 12, denen jeweils zwei Einlassventile 14 und zwei Auslassventile 16 zugeordnet sind. Zur Betätigung der Ventile 14, 16 weist der Verbrennungsmotor eine Einlassnockenwelle 18 und eine Auslassnockenwelle 20 auf, die mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle zur Betätigung der Kolben in den Zylindern 12 in bekannter Weise gekoppelt sind. Über die Einlassventile 14 gelangt Brenngas aus einem Ansaugkrümmer 22 in die Zylinder 12, der mit einem Ansaugkanal 24 verbunden ist, über den Luft und zurückgeführtes Abgas angesaugt wird. Das zurückgeführte Abgas stammt aus einem Abgasrückführkanal 26, welcher den Ansaugkanal 24 mit einem Abgaskanal 28 verbindet, der das aus den Zylindern 12 über die Auslassventile 16 in einen Abgaskrümmer 30 ausgestoßene Abgas aufnimmt. Ein Teil dieses Abgases gelangt zu einem Abgasauslass 32, während der andere Teil je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors 10 über den Abgasrückführkanal 26 zurückgeführt wird.The inventive, in 1 shown exhaust gas recirculation system consists of an internal combustion engine 10 with six cylinders 12 which each have two intake valves 14 and two exhaust valves 16 assigned. To operate the valves 14 . 16 the internal combustion engine has one intake camshaft 18 and an exhaust camshaft 20 on, with a crankshaft, not shown, for actuating the pistons in the cylinders 12 are coupled in a known manner. About the intake valves 14 enters fuel gas from an intake manifold 22 in the cylinders 12 that with a suction channel 24 is connected, is sucked in via the air and recirculated exhaust gas. The recirculated exhaust gas comes from an exhaust gas recirculation channel 26 , which the intake duct 24 with an exhaust duct 28 that connects the cylinders 12 over the exhaust valves 16 in an exhaust manifold 30 ejected exhaust gas absorbs. Part of this exhaust gas reaches an exhaust outlet 32 while the other part depending on the load condition of the internal combustion engine 10 via the exhaust gas recirculation channel 26 is returned.

Im Abgasrückführkanal 26 ist ein Abgasrückführventil 34 angeordnet, über welches der Abgasmassenstrom geregelt wird. Stromabwärts des Abgasrückführventils 34 ist ein Abgaskühler 36 angeordnet, über den das zurückgeführte Abgas gekühlt wird, um bessere Verbrennungstemperaturen in den Zylindern 12 zu erreichen. In the exhaust gas recirculation channel 26 is an exhaust gas recirculation valve 34 arranged, via which the exhaust gas mass flow is regulated. Downstream of the exhaust gas recirculation valve 34 is an exhaust gas cooler 36 arranged over which the recirculated exhaust gas is cooled to better combustion temperatures in the cylinders 12 to reach.

Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Abgaskühlers 36 ein Kugelventil 38 angeordnet, welches in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 in einem Gehäuse 40 gedreht wird. Diese Betätigung wird durch eine Kopplung einer Drehwelle 42 des Kugelventils 38 mit der Auslassnockenwelle 20 über einen kraft- und/oder formschlüssigen Trieb, wie einen Ketten- oder Riementrieb 44 sichergestellt. According to the invention downstream of the exhaust gas cooler 36 a ball valve 38 arranged, which in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 in a housing 40 is turned. This operation is achieved by a coupling of a rotary shaft 42 of the ball valve 38 with the exhaust camshaft 20 via a non-positive and / or positive drive, such as a chain or belt drive 44 ensured.

Das Kugelventil 38 mit seinem Gehäuse 40 ist in der 3 dargestellt. Es besteht aus einem im Gehäuse 40 drehbar gelagerten Kugelkörper 46 mit einer Durchgangsöffnung 48, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser eines Abgaseinlasses 50 und eines Abgasauslasses 52 des Gehäuses 40 entspricht. Dies hat zur Folge, dass bei einer Stellung des Kugelkörpers 46, in der die Mittelachse der Durchgangsöffnung 48 die Mittelachse des Abgaseinlasses 50 zum Abgasauslass 52 verlängert, der gesamte zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt des Gehäuses 40 und damit des Abgasrückführkanals 26 freigegeben wird. Der Kugelkörper 46 ist mit der Drehwelle 42 drehfest beispielsweise durch Formschluss verbunden. Entsprechend wird der Kugelkörper 46 im Gehäuse 40 in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 gedreht und zwar mit einer Drehzahl, die der halben Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder entspricht, im vorliegenden Fall also mit der dreifachen Drehzahl der Kurbelwelle, wodurch das Kugelventil 38 pro Öffnung eines Auslassventils 16 bei Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder 12 ebenfalls einmal öffnet.The ball valve 38 with his case 40 is in the 3 shown. It consists of one in the housing 40 rotatably mounted spherical body 46 with a passage opening 48 whose diameter is substantially equal to the diameter of an exhaust gas inlet 50 and an exhaust outlet 52 of the housing 40 equivalent. This has the consequence that at a position of the spherical body 46 in which the central axis of the passage opening 48 the center axis of the exhaust inlet 50 to the exhaust outlet 52 extended, the entire available flow cross-section of the housing 40 and thus the exhaust gas recirculation channel 26 is released. The spherical body 46 is with the rotary shaft 42 rotatably connected, for example by positive locking. Accordingly, the spherical body 46 in the case 40 in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 rotated and that at a speed that corresponds to half the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders, in the present case with three times the speed of the crankshaft, causing the ball valve 38 per opening of an exhaust valve 16 with upward movement of the piston in the cylinder 12 also opens once.

Um nun sicherzustellen, dass diese Öffnung des Kugelventils 38 immer genau dann erfolgt, wenn die durch den Ausstoß entstehende Abgaswelle das Kugelventil 38 erreicht, muss ein fester Drehversatz der Öffnung des Kugelventils 38 im Vergleich zur Öffnung jedes Auslassventils 16 eingestellt werden. Dies sollte für einen Drehzahlbereich erfolgen, in dem eine maximale Abgasmenge zurückgeführt wird. So kann durch Versuche oder durch Simulationsmodelle der optimale Drehversatz zwischen dem Kugelventil 38 und der Kurbelwelle festgelegt werden. Bei Änderung der Kurbelwellendrehzahl durch Laständerung entsteht dann zwar eine geringe Verschiebung zur Abgasdruckwelle, jedoch führt dies lediglich zu geringfügig verringertem zurückgeführten Abgasmassenstrom, der weiterhin größer ist als bei der Verwendung bekannter Rückschlagventile. To now ensure that this opening of the ball valve 38 always takes place exactly when the exhaust gas generated by the exhaust the ball valve 38 achieved, must be a fixed rotational offset of the opening of the ball valve 38 compared to the opening of each exhaust valve 16 be set. This should be done for a speed range in which a maximum amount of exhaust gas is returned. Thus, by experiments or by simulation models, the optimal rotational offset between the ball valve 38 and the crankshaft are set. When changing the crankshaft speed by load change then creates a slight shift to the exhaust pressure wave, but this only leads to a slightly reduced recirculated exhaust gas mass flow, which is still greater than when using known check valves.

In der 1 ist gestrichelt ein alternativer Antrieb des Kugelventils dargestellt, welches in dieser Version über einen Elektromotor 54 angetrieben wird. Das Kugelventil 38 wird in diesem Fall üblicherweise ebenfalls mit einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 oder zur Kurbelwelle betrieben, jedoch muss dies nicht über den gesamten Lastbereich des Verbrennungsmotors 10 erfolgen. Der Elektromotor 54 kann einerseits kurzfristig eine Verstellung der relativen Drehwinkel zwischen der Kurbelwelle und der Drehwelle 42 des Kugelventils 38 herstellen, um so auch in beliebigen Lastzuständen immer dann zu öffnen, wenn die Druckwelle des Abgasstroms das Kugelventil 38 erreicht und andererseits ist es auf diese Weise möglich, auf das vorgeschaltete Abgasrückführventil 34 vollständig zu verzichten, indem beispielsweise bei Lastzuständen, in denen keine Abgasrückführung gewünscht wird, das Kugelventil 38 gegenläufig zur ankommenden Abgasdruckwelle gedreht wird, also sich immer dann im den Abgasrückführkanal 26 verschließenden Zustand befindet, wenn die positive Druckwelle das Kugelventil 38 erreicht.In the 1 dashed lines an alternative drive of the ball valve is shown, which in this version via an electric motor 54 is driven. The ball valve 38 In this case, too, it usually also has a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 or operated to the crankshaft, but this does not have the entire load range of the internal combustion engine 10 respectively. The electric motor 54 on the one hand short-term adjustment of the relative angle of rotation between the crankshaft and the rotary shaft 42 of the ball valve 38 so as to always open even in any load conditions when the pressure wave of the exhaust gas stream the ball valve 38 achieved and on the other hand, it is possible in this way, the upstream exhaust gas recirculation valve 34 completely to dispense, for example, in load conditions in which no exhaust gas recirculation is desired, the ball valve 38 is rotated in opposite directions to the incoming exhaust gas pressure wave, so always in the exhaust gas recirculation channel 26 occlusive state is when the positive pressure wave is the ball valve 38 reached.

Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei getrennte Zylinderbänke 56, 58 vorgesehen sind, welche jeweils in einen zugehörigen Abgaskrümmer 60, 62 münden, wobei jedem Abgaskrümmer 60, 62 ein separater Abgaskanal 64, 66 und ein separater Abgasrückführkanal 68, 70 zugeordnet ist. Eine solche Ausführung ist insbesondere bei großvolumigen Verbrennungsmotoren 10 in Nutzfahrzeugen, wie Lastkraftwagen oder Traktoren, bekannt. Die Trennung der beiden Abgasrückführkanäle 68, 70 bleibt sowohl am vorgeschalteten Abgasrückführventil 34 als auch im Abgaskühler 36 erhalten. Entsprechend strömen zwei getrennte Abgasströme mit den ihnen eigenen Abgasdruckwellen aus dem Abgaskühler 36 in Richtung eines Doppelkugelventils 72. Dieses besteht aus zwei nebeneinander angeordneten, drehfest miteinander gekoppelten Kugelkörpern 74, 76, von denen jeder einem der Abgasrückführkanäle 68, 70 zugeordnet ist. This in 2 illustrated embodiment differs from the first embodiment in that two separate cylinder banks 56 . 58 are provided, which in each case in an associated exhaust manifold 60 . 62 lead, with each exhaust manifold 60 . 62 a separate exhaust duct 64 . 66 and a separate exhaust gas recirculation channel 68 . 70 assigned. Such an embodiment is particularly in large-volume internal combustion engines 10 in commercial vehicles, such as trucks or tractors known. The separation of the two exhaust gas recirculation channels 68 . 70 remains both at the upstream exhaust gas recirculation valve 34 as well as in the exhaust gas cooler 36 receive. Accordingly, two separate exhaust gas streams flow with their own exhaust gas pressure waves from the exhaust gas cooler 36 in the direction of a double ball valve 72 , This consists of two juxtaposed, rotatably coupled with each other ball bodies 74 . 76 each of which is one of the exhaust gas recirculation channels 68 . 70 assigned.

Ein Gehäuse 78 des Doppelkugelventils 72 weist entsprechend zwei Abgaseinlässe 80, 82 und zwei Abgasauslässe 84, 86 auf. Die beiden Kugelkörper 74, 76 weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 88, 90 auf, über die der zugehörige Abgaseinlass 80, 82 mit dem zugehörigen Abgasauslass 84, 86 fluidisch verbindbar ist. Da die Druckwellen bei gleicher Kurbelwellendrehzahl jeweils in konstanten Zeitabständen abwechselnd in den ersten Abgasrückführkanal 68 und in den zweiten Abgasrückführkanal 70 strömen, sind die Durchgangsöffnungen 88, 90 der beiden Kugelkörper 74, 76 um 90° drehversetzt zueinander ausgebildet. Auch dieses Doppelkugelventil 72 wird in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 angetrieben, allerdings beträgt diese Drehzahl lediglich einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder, im vorliegenden Fall also der 1,5 fachen Drehzahl der Kurbelwelle, wodurch das Doppelkugelventil 72 pro Öffnung eines Auslassventils 16 bei Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder 12 ebenfalls einmal einen der Abgasrückführkanäle 68, 70 freigibt. Hierzu kann das Doppelkugelventil 72 in gleicher Weise entweder direkt gekoppelt über ein Getriebe oder einen Riemen- oder Kettentrieb 44 oder über einen Elektromotor 54 in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 angetrieben werden. Im Übrigen gelten für diese Ausführung die gleichen Möglichkeiten zur Phasenverschiebung der Doppelkugelventilöffnungsphase zur Auslassnockenwellenphase zur optimalen Anpassung der Öffnungszeit in Abhängigkeit des Lastzustandes des Verbrennungsmotors 10 oder gewünschten Verstellung in Richtung einer Asynchronität zur Abgasmengenregelung.A housing 78 of the double ball valve 72 has two exhaust gas inlets accordingly 80 . 82 and two exhaust outlets 84 . 86 on. The two spherical bodies 74 . 76 each have a passage opening 88 . 90 on, over which the associated exhaust inlet 80 . 82 with the associated exhaust outlet 84 . 86 is fluidically connectable. Since the pressure waves at the same crankshaft speed in each case at constant time intervals alternately in the first exhaust gas recirculation channel 68 and in the second exhaust gas recirculation passage 70 flow, are the through holes 88 . 90 the two spherical bodies 74 . 76 formed rotated by 90 ° to each other. Also this double ball valve 72 is in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 driven, however, this speed is only one quarter of the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders, in the present case, the 1.5 times the speed of the crankshaft, whereby the double ball valve 72 per opening of an exhaust valve 16 with upward movement of the piston in the cylinder 12 also once one of the exhaust gas recirculation channels 68 . 70 releases. For this purpose, the double ball valve 72 in the same way either directly coupled via a gear or a belt or chain drive 44 or via an electric motor 54 in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 are driven. Incidentally, the same possibilities for the phase shift of the double ball valve opening phase to the exhaust camshaft phase for optimum adaptation of the opening time as a function of the load state of the internal combustion engine apply to this embodiment 10 or desired adjustment in the direction of an asynchronism for exhaust gas quantity control.

Die beschriebenen Abgasrückführsysteme ermöglichen eine deutliche Erhöhung des möglichen, insbesondere in einem Hochdruckabgasrückführkanal, zurückgeführten Abgasstroms durch vollständige Nutzung der vorhandenen Abgaspulsationen und Maximierung der freizugebenden Durchmesser in Phasen eines triebenden Druckgefälles aufgrund der Pulsationen. Rückströmungen werden gleichzeitig zuverlässig verhindert. Die vorgeschlagenen Kugelventile dienen somit als aktiv einstellbare Rückschlagventile oder falls gewünscht auch zusätzlich zur Abgasmengenregelung.The described exhaust gas recirculation systems allow a significant increase of the possible, in particular in a high-pressure exhaust gas recirculation channel, recirculated exhaust gas flow by fully utilizing the existing exhaust gas pulsations and maximizing the diameter to be released in phases of a driving pressure gradient due to the pulsations. Backflows are reliably prevented at the same time. The proposed ball valves thus serve as actively adjustable check valves or, if desired, in addition to the exhaust gas quantity control.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen denkbar sind. Insbesondere ist die Verwendung eines Elektromotors zum Antrieb der Kugelventile aber auch jegliche Kopplung an eine der Nockenwellen oder die Kurbelwelle zum Antrieb denkbar. Dies kann über Getriebe, Riemen oder Ketten erfolgen. Auch ist es möglich bei Verwendung eines gekoppelten Antriebs diesen ebenfalls phasenverstellbar auszuführen. Hierzu sind beispielswiese Phasensteller aus dem Bereich der Nockenwellenverstellung bekannt. Das Doppelkugelventil kann zwei direkt miteinander verbundene Kugelkörper aufweisen und ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Kopplung zwischen den Kugelkörpern kann direkt beispielsweise über Formschluss oder mit einer zwischengeschalteten Kupplung beliebiger Art erfolgen. Auch ist selbstverständlich eine Anpassung des Systems an Motoren mit anderen Zylinderzahlen mit beliebiger Lage zueinander möglich. It should be clear that the scope of the main claim is not limited to the described embodiment, but various modifications are conceivable. In particular, the use of an electric motor for driving the ball valves but also any coupling to one of the camshaft or the crankshaft to the drive is conceivable. This can be done via gears, belts or chains. It is also possible when using a coupled drive to perform this also phase-adjustable. For this purpose, for example meadow phaser from the field of camshaft adjustment are known. The double ball valve can have two ball bodies connected directly to one another and can be designed in one or more parts. The coupling between the spherical bodies can be done directly, for example via positive engagement or with an intermediate coupling of any kind. Of course, an adaptation of the system to engines with different numbers of cylinders with any position to each other is possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2236872 A1 [0004]
DE 19953198 A1 [0005]
EP 2017457 A2 [0006]

Claims

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation channel ( 26 . 68 . 70 ) via which an exhaust manifold ( 30 . 60 . 62 ) of the internal combustion engine ( 10 ) fluidically with a suction channel ( 24 ) of the internal combustion engine ( 10 ), a housing ( 40 . 78 ) in the exhaust gas recirculation channel ( 26 . 68 . 70 ), at which an exhaust gas inlet ( 50 . 80 . 82 ) and an exhaust outlet ( 52 . 84 . 86 ), a ball valve ( 38 . 72 ) with a through opening ( 48 . 88 . 90 ), which in the housing ( 40 . 78 ) between the exhaust inlet ( 50 . 80 . 82 ) and the exhaust outlet ( 52 . 84 . 86 ) is rotatably arranged, characterized in that the ball valve ( 38 . 72 ) at least when the load state of the internal combustion engine is unchanged ( 10 ) at a fixed speed ratio to an exhaust camshaft ( 20 ) for actuating exhaust valves ( 16 ) of the internal combustion engine ( 10 ) is driven.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that in the exhaust gas recirculation channel ( 26 . 68 . 70 ) an exhaust gas recirculation valve ( 34 ) upstream of the ball valve ( 38 . 72 ) is arranged.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to claim 2, characterized in that between the exhaust gas recirculation valve ( 34 ) and the ball valve ( 38 . 72 ) an exhaust gas cooler ( 36 ) is arranged.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotation of the ball valve ( 38 . 72 ) for rotation of the exhaust camshaft ( 20 ) is phase-shiftable.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the ball valve ( 38 . 72 ) via an electric motor ( 54 ) is driven.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ball valve ( 38 . 72 ) via one with the exhaust camshaft ( 20 ) or the crankshaft connected belt drive or chain drive ( 44 ) is driven.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotational speed of the ball valve ( 38 ) half the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders ( 12 ) corresponds.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine ( 10 ) two separate cylinder banks ( 56 . 58 ), each cylinder bank ( 56 . 58 ) an exhaust gas recirculation channel ( 68 . 70 ), wherein in both exhaust gas recirculation channels ( 68 . 70 ) in each case a spherical body ( 74 . 76 ) as a double ball valve ( 72 ) executed ball valve is arranged.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to claim 8, characterized in that the spherical body ( 74 . 76 ) of the double ball valve ( 72 ) are rotatably coupled to each other and are driven together, wherein one in the first ball body ( 74 ) formed passage opening ( 88 ) rotated by 90 ° to one in the second spherical body ( 76 ) formed passage opening ( 90 ) is arranged.

Exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to one of claims 8 or 9, characterized in that the speed of the double ball valve ( 72 ) a quarter of the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders ( 12 ) corresponds.