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Technischer Bereich
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Abgasmischsystem, welches für die Verwendung in einem Abgasrückführungssystem eines internen Verbrennungsmotors verwendet werden kann.
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Hintergrund
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Abgasrückführung (Exhaust Gas Recirculation; EGR) ist eine bekannte Technik, welche in Verbrennungsmotoren Anwendung findet (Benzin- oder Dieselmotoren), wobei ein Teil des Motorabgases zurück in die Motorzylinder geführt wird und mit dem Ansaugluftstrom vermischt wird. EGR kann zur Emissionsreduzierung von ungewünschten Schadstoffen, wie zum Beispiel Stickstoffoxide wie NO und NO2, und Abgaspartikeln wie Ruß verwendet werden.
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Ein typisches EGR-System kann eine Leitung oder eine andere Struktur zur Fluidverbindung eines Teils des Abgaspfades eines Motors mit einem Abschnitt des Ansaugluftsystems des Motors aufweisen, wodurch ein EGR-Pfad ausgebildet wird. Das Abgas und die Ansaugluft sollten ausreichend gut gemischt werden, um eine gleichmäßige Konzentration von Abgas in der Ansaugluft bereitzustellen, um die Reduzierung der Emissionen, insbesondere der Stickstoffoxide, zu ermöglichen.
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Ein EGR-Mischmodul kann dazu verwendet werden, die Vermischung des Abgases und der Ansaugluft zu bewirken, und es kann dazu ausgebildet sein, die Ansaugluft zusammen mit dem EGR-Gas zu vermischen, um eine Mischung mit einem wünschenswerten Grad an Homogenität zu erzeugen. Das EGR-Mischmodul kann einfach eine Leitung und/oder der Ansaugkrümmer sein, welche, falls gewünscht, mit Merkmalen, wie zum Beispiel Luftleitbleche, Ventile oder Labyrinthe, zum Erhöhen der Mischungscharakteristiken versehen sein können. In einigen Ausführungsformen kann das EGR-Mischmodul eine geeignete Fluidmischanordnung aufweisen.
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WO 2009/149868 A beschreibt ein Abgasmischsystem mit einem Mischmodul, welches ein Rohr mit einer Anzahl von Öffnungen aufweist, durch welche das Abgas fließt, um in dem Ansaugluftkanal verteilt zu werden.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Mischkammer für das Vermischen von Abgas mit Ladeluft in einem Motor zur Verfügung, wobei die Mischkammer aufweist:
einen Ansauglufteinlass, der dazu ausgebildet ist, einen Ansaugluftstrom aufzunehmen,
einen Abgaseinlass, der stromabwärts des Ansauglufteinlasses angeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Abgasstrom aufzunehmen, und
einen Mischpfosten, der stromabwärts des Ansauglufteinlasses und stromaufwärts eines Punktes, an dem mindestens ein Teil des Abgases die Ansaugluft trifft, angeordnet ist, wobei der Mischpfosten sich quer zur Mischkammer erstreckt und eine Longitudinalachse aufweist, welche senkrecht zu einer Längsachse der Mischkammer orientiert ist.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Mischmodul zum Vermischen von Abgas mit Ladeluft in einem Motor bereit, wobei das Mischmodul aufweist:
einen Ansauglufteinlass, der dazu ausgebildet ist, einen Ansaugluftstrom aufzunehmen,
einen Abgaseinlass, der stromabwärts des Ansauglufteinlasses angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, einen Abgasstrom aufzunehmen,
einen Auslass und
eine wie zuvor beschriebene Mischkammer, welche sich vom Ansauglufteinlass zum Auslass erstreckt.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ferner einen Verbrennungsmotor mit einem wie zuvor beschriebenen Mischmodul bereit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden beispielhaft mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 ein Schema eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasrückführungssystem ist,
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2 eine Perspektivansicht eines Abgasrückführungsmischmoduls des Abgasrückführungssystems der 1 ist,
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3 eine Rückansicht des Abgasrückführungsmischmoduls der 2 ist, welche den Ladelufteinlass zeigt, und
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4 eine Querschnittsansicht des Abgasrückführungsmischmoduls der 2 ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug nehmend auf 1 wird ein beispielhafter Motor 10 mit einem Hochdruckringabgasrückführungssystem, EGR-System 11, gezeigt. Der Motor 10 kann jeder geeignete Motor sein, wie ein Verbrennungsmotor oder insbesondere ein dieselkraftstoffkompressionsgezündeter (Compression-Ignition: CI) Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor 10 kann eine Mehrzahl von Verbrennungszylindern, die in einem Kurbelgehäuse untergebracht sind, aufweisen. Die Verbrennungszylinder können mit einem Ansaugluftkrümmer 12 und einem Abgaskrümmer 13 fluidverbunden sein. Wenn auch nur ein Ansaugluft- und ein Abgaskrümmer 12, 13 in 1 gezeigt werden, soll verstanden sein, dass mehr als ein Ansaugluft- oder Abgaskrümmer 12, 13 verwendet werden können, wobei jeder der Ansaugluft- oder Abgaskrümmer 12, 13 an eine Mehrzahl von Verbrennungszylindern gekoppelt ist. Ein Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff, oder ein Kraftstoffluftgemisch kann auf bekannte Weise in jeden Verbrennungszylinder 12 eingeführt und darin verbrannt werden.
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Der Motor 10 kann ferner einen Turbolader 14 aufweisen. Der Turbolader 14 kann eine Turbine 15 und einen Kompressor 16 aufweisen, welche mit einer gemeinsamen Welle 17 antriebsverbunden sind. Der Kompressor 16 kann Frischluft oder ein Gas über eine Luftansaugpassage 18 erhalten, welches komprimiert und dem Ansaugkrümmer 12 des Motors 10 über eine Luftversorgungspassage 19 zugeführt wird. Die komprimierte „Ansaugluft”, welche auch als Ladeluft bekannt ist, kann durch einen Ladeluftkühler 20 treten, bevor sie in den Ansaugkrümmer 12 eintritt.
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Die Turbine 15 kann mit dem Abgaskrümmer 13 über eine erste Abgaspassage 21 und mit einem Abgassystem (nicht gezeigt) des Motors 10 über eine weitere Abgaspassage 22 fluidverbunden sein. Das Abgassystem kann ein Nachbehandlungssystem, welches Verbrennungsprodukte aus dem Abgasstrom entfernt, sowie einen oder mehrere Abluftdämpfer zum Dämpfen von Motorgeräuschen aufweisen, bevor das Abgas in eine umgebende Umwelt entlassen wird. Die Emission des Motors 10 wird allgemein als Abgas bezeichnet, kann aber in Realität ein Gemisch aus Gas, anderen Fluiden, wie Flüssigkeiten oder auch Feststoffen, sein, welches zum Beispiel CO2, H2O, NOx und Partikelstoffe aufweisen kann. Das Nachbehandlungssystem kann einen Dieselpartikelfilter, einen Dieseloxidationskatalysator und/oder ein selektiv-katalytisches Reduktionssystem aufweisen.
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Obwohl es nicht in 1 gezeigt ist, kann der Turbolader 14 als eine Turboladeranordnung mit mehreren Turboladern 14 in, zum Beispiel, einer Reihenkonfiguration angesehen werden.
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In einem selbstansaugenden Motor kann die Ansaugluft, welche zu den Verbrennungskammern geführt wird, nicht komprimiert sein.
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Das EGR-System 11 kann eine EGR-Gaspassage 23 aufweisen, welche, in dem Fall eines Hochdruckring-EGR-Systems mit einem Kaltseiten-EGR-Ventil 24, die erste Abgaspassage 21 und die Luftversorgungspassage 19 fluidverbindet, so dass mindestens ein Teil des Abgases mit der Ansaugluft vermischt wird und zu den Verbrennungszylindern zurückgeführt wird. Dieser Teil des zurückgeführten Abgases wird hierin als „EGR-Gas” bezeichnet. Das EGR-System 11 kann ferner ein EGR-Ventil 24 aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, von einer Steuerungseinheit 25 angesteuert zu werden, um die Menge an EGR-Gas, welches durch die EGR-Gaspassage 23 strömt, zu variieren. Das EGR-Gas kann durch einen EGR-Kühler 26 treten, um das EGR-Gas zu kühlen, bevor es mit der Ansaugluft vermischt wird. Die Reihenfolge des EGR-Kühlers 26 und des EGR-Ventils 24 kann vertauscht werden, um ein heißseitiges oder ein kaltseitiges EGR-Ventil 24 darzustellen. Das EGR-System 11 kann als eine einzelne Einheit ausgebildet sein.
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Die Steuerung 25 kann eine einzelne Steuerung sein oder eine Vielzahl von unabhängigen oder verbundenen Steuerungseinheiten umfassen. Die Steuerung 25 kann dazu ausgebildet sein, Signale von verschiedenen Sensoranordnungen zu empfangen und zu verarbeiten, und sie kann ferner dazu ausgebildet sein, die Betriebsbedingungen des Motors 10 und/oder des EGR-Systems 11 zu bestimmen.
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Das EGR-System 11 kann ferner ein EGR-Mischmodul 27 (siehe 2 bis 4) aufweisen. Das EGR-Mischmodul 27 kann einen Ansauglufteinlass 28, der mit der Luftversorgungspassage 19 fluidverbunden ist, und einen EGR-Gaseinlass 29, der mit der EGR-Gaspassage 23 fluidverbunden ist, aufweisen. Vermischtes EGR-Gas und Ansaugluft können aus dem EGR-Mischmodul 27 über einen EGR-Mischmodulauslass 30 austreten. Der EGR-Mischmodulauslass 30 kann mit dem Ansaugkrümmer 12 fluidverbunden sein.
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Das EGR-Ventil 24 kann in dem EGR-Mischmodul 27 platziert sein und es kann dazu ausgebildet sein, den EGR-Gaseinlass 29 zu öffnen oder zu verschließen, und die Position des EGR-Ventils 24 kann die Strömungsrate durch die EGR-Passage 23 bestimmen.
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3 zeigt den Ansauglufteingang 28. Eine Mischkammer 31 erstreckt sich von dem Ansauglufteinlass 28 zu dem EGR-Mischmodulauslass 30. Die Mischkammer 31 hat daher einen Ansauglufteinlass 33, der mit dem Ansauglufteinlass 28 des EGR-Mischmoduls 27 kommuniziert, einen EGR-Gaseinlass 34, der einen oder mehrere Anschlüsse aufweist, und der mit dem EGR-Gaseinlass 29 des EGR-Mischmoduls 27 kommuniziert, und einen Auslass 35, der mit dem EGR-Mischmodulauslass 30 kommuniziert. Die Mischkammer 31 kann im Wesentlichen rohrförmig sein und hat eine Längsachse, die sich in Richtung der Strömung der Ansaugluft erstreckt. Ein Mischpfosten 32 erstreckt sich quer zur Mischpassage 31. Der Mischpfosten 32 ist zwischen dem Ansauglufteinlass 33 und dem EGR-Gaseinlass 34, d. h. stromabwärts des Ansauglufteinlasses 28 und stromaufwärts des Punktes, an dem zumindest einiges des EGR-Gases, welches in das EGR-Mischmodul 27 über den EGR-Gaseinlass 34 eintritt, die Ansaugluft trifft. Der Mischpfosten 32 kann stromaufwärts von einem oder von mehreren Anschlüssen des EGR-Gaseinlasses 34 angeordnet sein. Wie in den 3 und 4 gezeigt wird, kann der EGR-Gaseinlass 34 zwei Anschlüsse aufweisen, wobei jeder durch ein Rohr oder ein anderes geeignetes Ventil steuerbar ist.
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Der Mischpfosten 32 ist derart orientiert, dass seine Längsachse senkrecht zu der Längsachse der Mischkammer und daher auch der Richtung der Strömung der Ansaugluft verläuft.
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Der Mischpfosten 32 kann einen wie in 4 gezeigten C-förmigen Querschnitt aufweisen. Alternative kann er dreieckig, rund, D-förmig oder elliptisch sein. Der Mischpfosten 32 kann auch in der Form eines Profils/Tragflugelprofils (Aerofoil) sein, welche in Richtung der Ansaugluftströmung zuläuft. Der Mischpfosten 32 kann eine kontinuierliche Ablenkoberfläche haben, die sich in Richtung des Ansauglufteinlasses orientiert, welche dazu ausgebildet ist, die Strömung der Ansaugluft zu unterbrechen.
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Die Maße des Mischpfostens können gemäß einer oder aller der Reynolds-Zahlen des Ansaugluftstroms, der Strouhal-Zahl, Fluideigenschaften und dem gewünschten Grad an Vermischung von EGR- und Ansauggasströmen ausgewählt werden.
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Die Mischkammer 31 kann zusammen mit dem Mischpfosten als eine einzelne Einheit gegossen werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Während des Betriebs des Motors 10 kann ein Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff, in die Verbrennungskammern eingespritzt und verbrannt werden. Das als Ergebnis des Verbrennungsvorgangs erzeugte Abgas kann aus den Verbrennungszylindern in einen Abgaskrümmer 13 gelenkt werden. Mindestens ein Teil des Abgases innerhalb des Abgaskrümmers 13 kann umgelenkt werden, um durch die Turbine 15 zu strömen und diese anzutreiben. Das verbrauchte Abgas kann von der Turbine 15 in die Atmosphäre über das Abgassystem entlassen werden, zuvor kann es zur Emissionsreduzierung behandelt werden. Ein anderer Teil des Abgases, nämlich das EGR-Gas, kann in das EGR-Mischmodul 27 gelenkt werden. Das EGR-Gas kann durch den EGR-Kühler 26 vor Eintritt in das EGR-Mischmodul 27 durch den EGR-Gaseinlass 29 gekühlt werden.
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Die Turbine 15 kann Leistung an den Kompressor 16 über die Turboladerwelle 17 übertragen. Der Kompressor 16 kann Frischluft oder anderes Gas einziehen und dieses komprimieren. Die komprimierte Ansaugluft kann vom Kompressor 16 entlassen werden und sie kann entlang der Luftversorgungspassage 19 zu dem Ansaugkrümmer 12 über das EGR-Mischmodul 27 entlang passieren. Das komprimierte Verbrennungsgas kann durch den Ladeluftkühler 20 vor Eintreten in das EGR-Mischmodul 27 über den Ansauglufteinlass 28 gekühlt werden.
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Wenn das EGR-Ventil 24 in einer geschlossenen Position ist, tritt kein EGR-Gas in das EGR-Mischmodul 27 ein und die Ansaugluft passiert die Mischpassage 31 und heraus aus dem EGR-Mischmodulauslass 30 zu dem Ansaugkrümmer 12 zur Verbrennung.
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Wenn das EGR-Ventil 24 in einer geöffneten Position ist, kann EGR-Gas in die Mischkammer 31 des EGR-Mischmoduls 27 über den EGR-Gaseinlass 29 eintreten, wo es sich mit der sauberen Ansaugluft vermischt. Das Gemisch kann dann dem Ansaugkrümmer 12 zur Verbrennung zugeführt werden.
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Der Strom von Ansaugluft fließt an dem Mischpfosten 32 vorbei, wenn es die Mischkammer 31 über den Ansauglufteinlass 33 eintritt. Der Mischpfosten 32 kann dazu ausgebildet sein, Turbulenzen zu erzeugen, da die Ansaugluft von der Oberfläche des Mischpfostens 32 abgelenkt wird. Dies kann eine Vortex-Schicht erzeugen, welche eine Unterdruckregion stromabwärts des Mischpfostens 32 erzeugt. Dies kann die Durchdringung des Stroms von EGR-Gas in den Strom von Ansaugluft erhöhen. Während die tangentialen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit diskontinuierlich quer zur Vortex-Schicht sind, verläuft die Normalkomponente der Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich. Der EGR-Gaseinlass 34 kann auch dazu ausgebildet sein, eine Turbulenz im EGR-Gasstrom zu erzeugen, die auch in Form einer Vortex-Schicht vorliegen kann. Die Vortex-Schichten treffen und verflechten sich senkrecht zueinander entlang des Hauptstroms, wobei sie ein Vermischen der EGR- und Ansauggase bewirken.
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Die Verwendung eines Mischpfostens 32 kann den Vorteil haben, dass nur eine relativ kleine und günstige Änderung im Herstellungsprozess zur Erzeugung des Mischpfostens 32 notwendig ist. Insbesondere wird erwartet, wenn die Mischkammer 31 spritzgegossen ist, dass die Metallformen, die in einem solchen Prozess verwendet werden, leicht modifiziert werden können, um den Mischpfosten 32 zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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