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Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführungsmodul für eine Verbrennungskraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgasrückführungsventil, mit dem ein Volumenstrom von zurückzuführendem Abgas bestimmt werden kann, einem Wärmetauscher, in dem das rückzuführende Abgas gekühlt werden kann, und einem Bypasskanal, durch den ein Abgasstrom unter Umgehung des Wärmetauschers zu einem Ausgang des Abgasrückführungsmoduls geleitet werden kann, wobei dem Bypasskanal ein Bypassventil zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine mit einem daran angebrachten Abgasrückführungsmodul.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen wird üblicherweise Abgas aus der Abgasleitung entnommen und der Verbrennungsluft beigemischt. Dies dient der Reduktion von Stickoxiden (NOx) und der Einhaltung von Emissionsgrenzen gemäß den geltenden Vorschriften.
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Das Abgas kann beispielsweise unmittelbar am Abgaskrümmer entnommen werden und auf der Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine wieder eingeleitet werden. In Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen wird das Abgas entweder gekühlt, bevor es der Verbrennungsluft zugeführt wird, oder es wird ungekühlt zugeführt.
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Um das Abgas kühlen zu können, weist das Abgasrückführungsmodul einen Abgaskühler auf, durch den das Abgas geführt werden kann. Wenn das Abgas ungekühlt zugeführt werden soll, wird ein Bypass geöffnet, sodass das Abgas durch einen Bypasskanal strömt und den Wärmetauscher umgeht. Die Menge des Abgases, das insgesamt rückgeführt wird, wird dabei gesteuert durch ein Regelventil, das beispielsweise kennfeldgesteuert den gewünschten Volumendurchsatz ermöglicht.
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Das Bypassventil ist im Stand der Technik üblicherweise ein Klappenventil, das von einem Aktor (beispielsweise einer Unterdruckdose) zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung verstellt werden kann. Nachteilig hieran ist zum einen, dass keine Zwischenstellungen möglich sind. Nachteilig ist zum anderen, dass das Klappenventil in der geschlossenen Stellung nicht zuverlässig abdichtet, sodass eine gewisse Leckage gegeben ist, die den Wirkungsgrad verringert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Abgasrückführungsmodul zu schaffen, das sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringen Bauraumanforderungen auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Abgasrückführungsmodul der eingangs genannten Art vorgesehen, dass das Bypassventil ein Regelventil ist. Hierdurch kann die Verteilung der Volumenströme zwischen dem Wärmetauscher und dem Bypasskanal sehr präzise geregelt werden, sodass eine optimale Anpassung an die jeweiligen Anforderungen möglich ist. Dies steigert den Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Abgasrückführungsventil ein Regelventil ist. Somit stehen zwei getrennte Regelkreise zur Verfügung, mit denen die Eintrittstemperatur des rückgeführten Abgases in das Ansaugsystem optimal geregelt werden kann. In einem ersten Zustand ist das Bypassventil geschlossen, und der Volumenstrom des rückgeführten Abgases wird ausschließlich über das Abgasrückführungsventil geregelt. Somit kann sehr präzise der rückzuführende Volumenstrom eingestellt werden, während gleichzeitig eine Leckage durch den Bypasskanal verhindert ist. In einem zweiten Betriebszustand wird ungekühltes Abgas rückgeführt. In diesem Fall bleibt das Abgasrückführungsventil geschlossen, während das Bypassventil den Volumenstrom an rückgeführtem Abgas präzise regeln kann. In einem dritten Betriebszustand liegt ein Mischbetrieb vor, in dem die beiden Ventile, also das Abgasrückführungsventil und das Bypassventil, so geregelt werden, dass sowohl der Gesamtvolumenstrom an rückgeführtem Abgas als auch die Temperatur dieses Volumenstroms präzise an den jeweiligen Betriebszustand angepasst ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Bypassventil am stromabwärtigen Ende des Bypasskanals angeordnet ist. Dies führt zu einer geringeren Temperaturbelastung des Baypassventils, da es dadurch im maximalen Abstand vom Abgassystem angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bypassventil ein Ventilelement aufweist, das als Ventilteller ausgeführt ist. Der Ventilteller kann sehr präzise an einem ihm zugeordneten Ventilsitz anliegen, sodass der Bypasskanal bei Bedarf vollständig geschlossen werden kann, wodurch Leckageverluste verhindert sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypasskanal ein luftspaltisoliertes Rohr aufweist. Dies führt zum Erhalt einer maximalen Abgastemperatur, welche für mehrere Betriebsarten des Motors benötigt werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Temperaturbelastungen des bypassführenden Bauteils.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich an das luftspaltisolierte Rohr ein Ventilsitz anschließt, mit dem ein Ventilelement des Bypassventils zusammenwirkt. Hierdurch ist es möglich, die verschiedenen Bauteile aufeinanderfolgend in eine Aufnahmeöffnung beispielsweise in einen Zylinderkopf einzuschieben, sodass sich ein geringer Montageaufwand ergibt.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Zylinderkopf mit daran angebrachtem Abgasrückführungsmodul vorgesehen, wobei der Bypasskanal in den Zylinderkopf integriert ist. Hierdurch ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Bypasskanal direkt an einen Abgasrückführungsanschluss eines Abgaskrümmers angeschlossen ist. Somit wird der Bypasskanal vollständig in den Zylinderkopf integriert, sodass keine externen Anschlüsse, Rohre oder Schläuche notwendig sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bypasskanal als Durchgangsöffnung im Zylinderkopf ausgeführt ist, die an einem Ende vom Bypassventil und am anderen Ende von einem Stopfen verschlossen ist. Dieser axiale Aufbau bietet sowohl beim Gießen des Zylinderkopfes als auch bei der Montage der Bauteile am Bypasskanal Vorteile.
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Alternativ zu einem Stopfen kann der Bypasszweig auch über einen eigenen Abgasrückführzweig am Krümmer verschlossen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 in einer perspektivischen Explosionsansicht einen Zylinderkopf mit Abgasrückführungsmodul;
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2 den Zylinderkopf von 1 mit Abgasrückführungsmodul in einer ersten perspektivischen Ansicht;
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3 in einer vergrößerten, teilgeschnittenen perspektivischen Ansicht den Zylinderkopf mit Bypasskanal;
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3a den Zylinderkopf von 3 in einer Ausführungsvariante; und
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4 das Abgasrückführungsmodul in einer perspektivischen Ansicht zu einer von 2 entgegengesetzten Blickrichtung; und
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5 in einer teilgeschnittenen, perspektivischen Ansicht ein Detail des Abgasrückführungsventils.
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Anhand der 1 und 2 wird nachfolgend der grundlegende Aufbau eines Abgasrückführungsmoduls erläutert, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
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Es ist ein Zylinderkopf 10 zu sehen, der in an sich bekannter Weise dazu dient, mehreren Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine Ansaugluft zuzuführen und Verbrennungsgase von den Zylindern abzuführen. Die Ansaugluft wird über ein Ansaugsystem 12 bereitgestellt, und die Verbrennungsgase werden über einen Abgaskrümmer 14 abgeführt.
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Bei bestimmten Betriebszuständen kann ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine entnommen und zur Ansaugseite zurückgeführt werden. Hierfür sind zwei unterschiedliche Strömungswege möglich.
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Ein erster Strömungsweg verläuft durch einen Wärmetauscher 16, in welchem dem Abgas Wärme entzogen werden kann. Zu diesem Zweck sind ein Kühlmitteleinlass 18 und ein Kühlmittelauslass 20 vorgesehen. Um den Volumenstrom durch den Wärmetauscher 16 zu steuern oder zu regeln, ist ein Abgasrückführungsventil 22 vorgesehen.
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Ein zweiter Strömungsweg verläuft durch einen Bypasskanal 24, durch den Abgas unter Umgehung des Wärmetauschers 16 direkt von der Abgas- zur Ansaugseite geleitet werden kann. Dem Bypasskanal 24 ist ein Bypassventil 26 zugeordnet, mit dem der Volumenstrom durch den Bypasskanal gesteuert oder geregelt werden kann.
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Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, ist der Abgasrückführungsabzweig 30 des Abgaskrümmers 14 unmittelbar an den Zylinderkopf 10 angeschlossen, sodass rückzuführendes Abgas in den Zylinderkopf 10 eingeleitet wird.
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Im Inneren des Zylinderkopfes 10 trifft das Abgas dann auf eine Verzweigung, sodass es entweder in der Richtung des Pfeils B (siehe 3) zum Bypasskanal 24 oder entlang dem Pfeil W (siehe 4) zum Wärmetauscher 16 geführt wird.
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Der Bypasskanal 24 ist hier in den Zylinderkopf 10 integriert und luftspaltisoliert mit einem innen liegenden Rohr 38 ausgeführt. An das stromabwärtige Ende Rohres 38 schließt sich ein Ventilsitz 40 an, mit dem ein Ventilelement 42 in der Form eines Ventiltellers zusammenwirken kann.
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Das Rohr 38 zusammen mit dem Ventilsitz 40 kann in eine geeignet ausgestaltete Durchgangsöffnung am Zylinderkopf 10 eingesetzt und in axialer Richtung mittels eines Stopfens 41 verschlossen werden.
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Bei der in 3a gezeigten Ausführungsvariante mündet der Abgasrückführabzweig 30 unmittelbar in den Bypassabzweig 36, nämlich in die Öffnung, die bei der in 3 gezeigten Ausführungsform von der Verschlussschraube 40 verschlossen ist. Zu diesem Zweck erstreckt sich der Abgasrückführabzweig 30 bei der Ausführungsvariante der 3a weiter zur Seite, als dies bei der Ausführungsform der 3 der Fall ist.
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Das Ventilelement 42 gehört zum Bypassventil 26, das als Regelventil ausgeführt ist. Es kann beispielsweise einen elektromagnetischen Stellantrieb aufweisen. Abhängig von der Stellung des Ventilelementes 42 des Bypassventils 26 ist der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilsitz 40 und dem Ventilelement 42 geschlossen oder mehr oder weniger weit geöffnet, sodass Abgas durch den Bypasskanal 24 hin zum Ansaugsystem 12 strömen kann.
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Das Abgasrückführungsventil 22 (siehe insbesondere 5) weist ein Ventilgehäuse 50 auf, in das hinein Abgas entsprechend der Verzweigung W strömen kann. Innerhalb des Ventilgehäuses 50 ist ein Ventilsitz 52 gebildet, mit dem ein Ventilelement 54 zusammenwirken kann, das ebenfalls als Ventilteller ausgeführt ist.
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Die Stellung des Ventilelements 54 wird bestimmt von einem Ventilantrieb 56 des Abgasrückführungsventils 22. Der Ventilantrieb 56 kann beispielsweise elektromagnetisch, elektrisch oder auf andere Weise ausgeführt sein.
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Wenn das Ventilelement 54 geschlossen ist, also am Ventilsitz 52 anliegt, kann kein Abgas durch das Abgasrückführungsventil 22 hindurch zum Wärmetauscher 16 strömen. Wenn das Ventilelement 54 mehr oder weniger weit vom Ventilsitz 52 abgehoben ist, kann durch den dann freigegebenen Strömungsquerschnitt rückzuführendes Abgas vom Abzweig W durch den Wärmetauscher 16 und schließlich zum Ansaugsystem 12 strömen.
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Sowohl das Bypassventil 26 als auch das Abgasrückführungsventil 22 sind beide als Regelventile ausgeführt, die von einer Steuerelektronik geeignet angesteuert werden. Beide Ventile können zwischen einem geschlossenen Zustand, einem vollständig geöffneten Zustand und stufenlosen Zwischenstellungen angesteuert werden. Hierdurch kann sowohl der Bypasskanal stufenlos zwischen einem geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand geregelt werden, und auch der Durchgang durch den Wärmetauscherkanal kann stufenlos zwischen einem vollständig geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand geregelt werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der Verwendung eines Ventilsitzes 40 in Kombination mit einem Ventilteller 42 das Bypassventil 26 den Strömungsquerschnitt durch den Bypasskanal 24 zuverlässig schließen kann, sodass Leckageverluste verhindert sind.
