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Die Erfindung betrifft eine Kühleranordnung für ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine, ein Abgasrückführungssystem mit einer solchen Kühleranordnung sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasrückführungssystem.
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In Abgasrückführungssystemen von Brennkraftmaschinen wird einem Ladeluftkühler typischerweise ein Abgasrückführkühler stromaufwärts, bezogen auf die Fließrichtung eines Fluidstroms, vorgeschaltet. Hierdurch kann eine bedingt durch ein rückgeführtes Abgas hohe Temperatur eines Abgas-Luft-Gemisches am Eingang des Ladeluftkühlers verringert werden. Als problematisch erweist sich dabei eine Verschmutzung in dem Abgasrückführkühler durch ungereinigtes Abgas. Insbesondere eine Versottung des Abgasrückführkühlers, bedingt durch Auskondensieren von Bestandteilen des Abgases, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Säuren, kann einen Wärmetausch behindern sowie mit zunehmender Betriebsdauer die Effizienz des Abgasrückführkühlers verringern und dessen Lebensdauer reduzieren. Besonders problematisch sind zudem hohe Temperaturspitzen, insbesondere ein hoher zeitlicher Temperaturgradient des Abgases, bedingt durch wechselnde Betriebszustände der Brennkraftmaschine, insbesondere für Komponenten mit einer ausgeprägten Sensitivität hinsichtlich einer Kurzzeitfestigkeit. Eine thermomechanische Belastung durch Wärmeausdehnung wirkt sich demnach insbesondere lebensdauerreduzierend für den Abgasrückführkühler, aber auch weitere Komponenten in dem Abgasrückführungssystem aus. Konstruktive Maßnahmen als Reaktion auf diese Probleme sind beispielsweise ein erhöhter apparativer Aufwand, beispielsweise der Einsatz zusätzlicher Kühler und/oder Verrohrungen, was sich in vergrößertem Bauraum und erhöhtem Gewicht äußert. Weiterhin werden Rohrleitungsquerschnitte in abgasführenden Bereichen in dem Abgasrückführkühler vergrößert ausgeführt, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und darüber hinaus ebenfalls zu einer Bauraumvergrößerung und Gewichtszunahme führt. Auf Seiten der Wirtschaftlichkeit ergeben sich hohe Herstellkosten, hohe Betriebs- und Servicekosten sowie ein hohes Risiko für Betriebsunterbrechungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleranordnung für ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine, ein Abgasrückführungssystem mit einer solchen Kühleranordnung, sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasrückführungssystem zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Kühleranordnung für ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler und einem Vorkühler geschaffen wird. Der Vorkühler und der Ladeluftkühler sind in einem ersten Fluidpfad angeordnet, wobei der Vorkühler stromaufwärts des Ladeluftkühlers in dem ersten Fluidpfad angeordnet ist. Der Vorkühler ist eingerichtet, einem Fluid, welches den ersten Fluidpfad passiert, Wärme zu entziehen. Darüber hinaus ist der Vorkühler eingerichtet, das Fluid katalytisch zu oxidieren. Mittels des Vorkühlers ist es möglich, das Fluid zu kühlen, sodass der Ladeluftkühler stromabwärts des Vorkühlers thermisch entlastet wird. Insbesondere thermomechanische Belastungen für den Ladeluftkühler werden so reduziert. Durch die katalytische Oxidation des Fluids in dem Vorkühler wird die Problematik der Versottung insbesondere in dem Ladeluftkühler reduziert, da prinzipiell Versottungen bewirkende Substanzen oxidiert werden können und somit nicht mehr auskondensieren, oder aber als unschädliche Substanzen auskondensieren.
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Der Vorkühler und der Ladeluftkühler sind in dem ersten Fluidpfad bevorzugt mittels einer Verrohrung verbunden, welche geeignet ist zum Transport des Fluids. Das Fluid umfasst vorzugsweise Abgase der Brennkraftmaschine. Der Vorkühler ist dabei stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet. Bevorzugt ist zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler eine erste Stelleinrichtung zur Variation eines Strömungsquerschnitts, insbesondere eine Ventileinrichtung oder Drossel, angeordnet.
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Weiterhin ist der Vorkühler eingerichtet, dem Fluid, welches den ersten Fluidpfad passiert, Wärme zu entziehen. Zum einen wird dem Fluid Wärme entzogen, um diese bevorzugt an ein Kühlmedium abzugeben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es dadurch möglich, Abgas, welches eine Temperatur von etwa 600 °C hat, auf eine Temperatur von etwa 400 °C bis 500 °C abzukühlen. Zum anderen wird durch den Vorkühler dem Fluid Wärme entzogen, um diese zu puffern. Dies geschieht mit dem Ziel, Temperaturspitzen zu reduzieren und den zeitlichen Temperaturgradienten in dem Fluid zu senken, um damit ein vergleichmäßigtes zeitliches Temperaturprofil für das Fluid zu erreichen.
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Bevorzugt weist der Vorkühler im Vergleich zu dem Ladeluftkühler eine geringere Wärmeübertragungsfähigkeit und/oder eine höhere Wärmespeicherungsfähigkeit auf. Konstruktiv zeichnet sich der Vorkühler dabei bevorzugt durch dicke Materialwandstärken und eine massive Auslegung aus, welche dem Vorkühler – insbesondere im Vergleich mit dem Ladeluftkühler – eine geringere Wärmeübertragungsfähigkeit und eine höhere Wärmespeicherungsfähigkeit verleihen. Durch diese Art der Gestaltung wird ein hohes Maß an thermischer Trägheit realisiert.
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Alternativ oder zusätzlich weist der Vorkühler vorzugsweise Rohre kurzer Länge auf, welche sich robust hinsichtlich mechanischer Schwingungen verhalten und zu einer steifen konstruktiven Struktur führen. Hierdurch ist es in besonderer Weise möglich, mittels des entsprechend ausgelegten Vorkühlers thermische Schocks zu absorbieren.
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Das Puffern von Wärme in dem Vorkühler geschieht mit der Zielsetzung, eine Materialermüdung des Vorkühlers sowie stromabwärts, bezogen auf die Fließrichtung eines Fluidstroms, nachgelagerter Einrichtungen zu vermeiden, insbesondere die Kurzzeitfestigkeit der genannten Einrichtungen zu verbessern. Im Ergebnis ergibt sich dadurch eine längere Lebensdauer des Vorkühlers sowie stromabwärts nachgelagerter Einrichtungen, welche eine Empfindlichkeit hinsichtlich thermomechanischer Wechselbelastungen aufweisen. So ist es beispielsweise bevorzugt möglich, den Vorkühler ohne Längenausgleich auszuführen und dadurch Kosteneinsparungen sowie eine robustere Gestaltung zu realisieren.
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Unter einem „Puffern“ von Wärme wird hier insbesondere eine Zwischenspeicherung von Wärme verstanden, insbesondere derart, dass bei einer ersten, höheren Temperatur des Fluids diesem Wärme entzogen und in dem Vorkühler gespeichert wird, wobei dem Fluid bei einer zweiten, niedrigeren Temperatur des Fluids Wärme aus dem Vorkühler zugeführt wird, sodass insgesamt stromabwärts des Vorkühlers ein vergleichmäßigtes Temperaturniveau des Fluids erreicht wird.
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Eine besonders bevorzugte Anordnung weist hierbei einen derartigen Vorkühler auf, dem ein hocheffizienter Ladeluftkühler stromabwärts zugeordnet ist. Diese Anordnung ist dadurch charakterisiert, dass der Vorkühler vorrangig auf eine Reduzierung der thermischen Wechselbelastung hin optimiert ist, wobei die Fähigkeit zur Reduzierung der Temperatur des Fluids im Vorkühler, insbesondere dessen Wirkungsgrad, nachrangig optimiert ist. Dabei erfolgt eine Verschiebung der Kühlleistung auf den hocheffizienten Ladeluftkühler. Im Vergleich zu üblichen Ladeluftkühlern in Abgasrückführungssystemen kann der Ladeluftkühler effizienter ausgelegt werden, da der zeitliche Temperaturgradient des einströmenden Fluids mittels des Vorkühlers verringert und damit die thermische Wechselbelastung reduziert ist. Dies erlaubt es insbesondere, die Materialwandstärken im Ladeluftkühler geringer und die Struktur filigraner auszulegen, wodurch sich eine effizientere Betriebsweise mit besserem Wärmedurchgang und höherem Wirkungsgrad realisieren lässt. Zudem lässt sich der Ladeluftkühler kleiner auslegen, wodurch den zunehmenden Anforderungen an Bauraumreduktion Rechnung getragen wird. Das Anforderungsprofil eines derartigen hocheffizienten Ladeluftkühlers kann durchaus mit handelsüblichen Ladeluftkühlern dargestellt werden.
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Eine bevorzugte Anordnung weist, in Fließrichtung des Fluids gesehen, eine erste Einrichtung, den Vorkühler, auf, dessen primäre Aufgabe eine Reduzierung thermischer Schocks, bewirkt durch Temperaturspitzen des Fluids, insbesondere des Abgases, darstellt. Der Vorkühler wirkt dabei insbesondere als thermischer Dämpfer. Eine zweite Einrichtung, der Ladeluftkühler, ist in besonderem Maße auf die effiziente und effektive Absenkung der Fluidtemperatur hin optimiert. In einer derartigen bevorzugten Anordnung ist keine zusätzliche separate Kühleinrichtung vorgesehen, wodurch eine Gewichtsreduktion verwirklicht werden kann, wobei aufgrund des verringerten Materialaufwandes, beispielsweise durch Verringerung des Verrohrungsaufwandes und Zusammenfassung oder Integration von Bauteilen, Kosteneinsparungen realisiert werden können.
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Weiterhin ist der Vorkühler eingerichtet, das Fluid katalytisch zu oxidieren. Dies bedeutet insbesondere, dass in dem Fluid enthaltene unverbrannte Kohlenwasserstoffe oxidiert oder abgebaut werden. In Konsequenz erhöht sich der mittlere Kondensationspunkt der im Abgas enthaltenen Bestandteile, sodass eine Kondensatbildung reduziert wird. Bevorzugt wird eine Versottung des Vorkühlers sowie derjenigen Einrichtungen verringert oder verhindert, die stromabwärts hinter dem Vorkühler angeordnet sind. Gleichzeitig bewirkt die katalytische Oxidation im Vorkühler eine Reduzierung von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine. Besonders vorteilhaft für die Wirksamkeit der katalytischen Oxidation erweist sich, dass letztere bevorzugt im Hochtemperaturbereich durchgeführt wird. Dadurch lassen sich ein besonders hoher Kohlenwasserstoffumsatz, eine geringere Vergiftungsneigung sowie eine höhere Schwefeltoleranz verwirklichen. Indem die Oberflächentemperatur in dem katalytisch wirkenden Teil des Vorkühlers bevorzugt im Bereich von 400 °C bis 500 °C gehalten werden kann, ergibt sich eine Selbstreinigungswirkung desselben.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Vorkühler als Rohrbündelkühler ausgebildet ist. Der Vorkühler ist dabei bevorzugt als flacher oder runder Rohrbündelkühler ausgebildet. Bevorzugt weist der Vorkühler dabei eine Beschichtung aus wenigstens einem katalytisch aktiven Material auf. Dieses ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Eisen-, Cer-, Zirkonium-, und Platingruppen-Metallkomponenten. Zusätzlich oder alternativ kann der Vorkühler wenigstens eine Zeolithkomponente aufweisen. Bevorzugt ist die katalytisch wirkende Fläche im Vorkühler aus einer Legierung hergestellt, die Eisen, Chrom und Aluminium enthält. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Wärmetauscherfläche mehrschichtig aufgebaut, wobei mindestens eine dem Abgas zugewandte Schicht aus einer solchen Legierung besteht. Für eine gute Haftung der katalytischen Beschichtung wird bevorzugt eine zu beschichtende Fläche durch eine Temperaturbehandlung in Gegenwart von Sauerstoff in einen oberflächlich oxidierten Zustand gebracht, vorzugsweise mit einer Anreicherung von Aluminiumoxiden an der Oberfläche.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Vorkühler eingerichtet ist, um in dem Fluid enthaltene Partikel abzuscheiden. Besonders bevorzugt erfolgt die Partikelabscheidung dabei mittels eines filterlosen Partikelabscheiders. Dadurch ist es insbesondere möglich, eine Druckdifferenz zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Partikelabscheiders, insbesondere im Vergleich zu Partikelfiltern, möglichst gering zu halten. Zudem lassen sich mechanische Halterungen einfacher gestalten, als dies bei Partikelfiltern der Fall ist.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler in dem ersten Fluidpfad ein Abgasrückführkühler angeordnet ist, der eingerichtet ist, dem Fluid Wärme zu entziehen. Da in dieser Anordnung der Abgasrückführkühler bevorzugt mit einem Fluid beaufschlagt wird, dessen zeitlicher Temperaturgradient durch die thermische Dämpfungswirkung des stromaufwärts angeordneten Vorkühlers verringert ist, und dessen Verschmutzungsgrad durch die katalytische Wirkung des Vorkühlers verringert ist, lässt sich der Abgasrückführkühler im Vergleich zum Stand der Technik einfacher und kostengünstiger realisieren.
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Während beispielsweise Abgasrückführkühler üblicherweise aus Edelstahl gefertigt sind, um sie resistent gegen Versottung und Spannungsrisse zu gestalten, lassen sich in diesem Fall einfachere, das heißt chemisch weniger resistente und thermisch weniger belastbare Werkstoffe, insbesondere Stähle, einsetzen. Bevorzugt wird der Abgasrückführkühler mit einer durch den Vorkühler verringerten Eingangstemperatur des Fluids und mit einem verringerten zeitlichen Temperaturgradienten, beaufschlagt, was die Lebensdauer des Abgasrückführkühlers erhöht. Insbesondere die Absorption thermischer Schocks durch den Vorkühler trägt zu einer Steigerung der Lebensdauer des Abgasrückführkühlers bei.
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Die katalytische Wirkung des Vorkühlers ermöglicht es zudem, eine verschmutzungs- und versottungsbedingte Verminderung des Wirkungsgrades zu vermeiden und daher Querschnitte der abgasseitigen fluidführenden Leitungen im Abgasrückführkühler im Vergleich zu einer Beaufschlagung mit ungereinigtem Abgas konstruktiv zu reduzieren. Dies führt zu einem reduzierten Bauraumbedarf und zu einer Gewichtsverminderung.
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In Verbindung mit der Anordnung des Abgasrückführkühlers ergeben sich Implikationen für die Auslegung einerseits des Vorkühlers und andererseits des Ladeluftkühlers. Der Vorkühler kann in besonderem Maße durch seine primäre konstruktive Optimierung in Richtung einer thermischen Dämpfung als vergleichsweise einfaches und kostengünstiges Bauteil, vorzugsweise als einfach zu montier- und demontierbares Austauschteil, ausgelegt werden. Dies verwirklicht sich in einer vergleichsweise groben Gestaltung. Insbesondere zeichnet sich der Vorkühler dadurch aus, und unterscheidet sich hierin von üblichen Abgasrückführkühlern, dass er konstruktiv vorrangig in Richtung einer Reduktion thermischer Wechselbelastung ausgelegt ist. Damit tritt eine üblicherweise angestrebte, möglichst große Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang, ebenso wie der Wirkungsgrad, in den Hintergrund. Zudem ist kein Längenausgleich vorgesehen, und die Gestaltung kann insgesamt sehr robust erfolgen. Bei der Herstellung der katalytischen Wirkung kann zudem konstruktiv vermieden werden, für die katalytisch wirkende Beschichtung kostenintensive Edelmetalle, beispielsweise Vanadium, einzusetzen.
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Der Ladeluftkühler kann – im Vergleich zu dem ausgeführten Ausführungsbeispiel ohne Abgasrückführkühler – auf eine geringere Kühlleistung hin ausgelegt werden, da der Abgasrückführkühler bereits dem Fluid Wärme entzieht. Insofern lassen sich in diesem Fall herkömmliche, für Abgasrückführungssysteme vorgesehene Ladeluftkühler einsetzen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Vorkühler und der Abgasrückführkühler integral miteinander ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind der Vorkühler und der Abgasrückführkühler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dies stellt eine besonders effiziente und zugleich bauraumsparende Ausgestaltung der Anordnung des Vorkühlers und des Abgasrückführkühlers dar.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler ein zweiter Fluidpfad in den ersten Fluidpfad mündet. In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler bevorzugt kein separater Abgasrückführkühler vorgesehen. Besonders bevorzugt wird über den zweiten Fluidpfad Ladeluft, insbesondere Frischluft oder ein Frischluft-Brennstoff-Gemisch, dem Fluid in dem ersten Fluidpfad zugeführt. Die Zuführung erfolgt dabei bevorzugt in einem Abschnitt des ersten Fluidpfades zwischen dem Vorkühler und der ersten Stelleinrichtung zur Strömungsquerschnittsvariation, insbesondere einer Ventileinrichtung oder Drossel, welche ihrerseits zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler in dem ersten Fluidpfad angeordnet ist. Ebenso ist es denkbar, dass die Mündung des zweiten Fluidpfads in den ersten Fluidpfad zwischen der ersten Stelleinrichtung und dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Alternativ ist es ebenso denkbar, dass der zweite Fluidpfad und der erste Fluidpfad separiert in den Ladeluftkühler münden. In einer bevorzugten Variante des Ausführungsbeispiels wird das vorgekühlte und gereinigte Abgas mit der Frischluft vermischt, woraus sich eine Mischtemperatur von vorzugsweise 250 °C bis 300 °C am Eingang des Ladeluftkühlers ergibt. In diesem Fall liegt die Fluidtemperatur bereits im Bereich der Eingangstemperatur handelsüblicher Ladeluftkühler, sodass es mittels Einsatz eines hocheffizienten Ladeluftkühlers mit hohem Wirkungsgrad vermieden werden kann, einen zusätzlichen Abgasrückführkühler dem Ladeluftkühler vorzuschalten. Dies führt zu Vorteilen hinsichtlich Bauraum und Gewicht. Mittels des hocheffizienten Ladeluftkühlers wird das Abgas-Luft-Gemisch vorzugsweise auf etwa 50 °C abgekühlt.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass zwischen dem Abgasrückführkühler und dem Ladeluftkühler ein zweiter Fluidpfad in den ersten Fluidpfad mündet. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich insbesondere auf die bereits dargestellte Anordnung, wobei zwischen dem Vorkühler und dem Ladeluftkühler ein Abgasrückführkühler angeordnet ist. In einer bevorzugten Variante des Ausführungsbeispiels mündet der zweite Fluidpfad, welcher bevorzugt Ladeluft, insbesondere Frischluft oder ein Frischluft-Brennstoff-Gemisch, führt, in den ersten Fluidpfad in dem Abschnitt zwischen dem Abgasrückführkühler und der ersten Stelleinrichtung zur Strömungsquerschnittsvariation, insbesondere einer Ventileinrichtung oder Drossel, welche zwischen dem Abgasrückführkühler und dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass die Mündung des zweiten Fluidpfads in den ersten Fluidpfad stromabwärts der ersten Stelleinrichtung, das heißt zwischen der ersten Stelleinrichtung und dem Ladeluftkühler, angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass der erste und der zweite Fluidpfad separiert in den Ladeluftkühler münden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Vorkühler über eine Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung gekühlt ist. Aufgrund der geringeren Anforderungen an die Effektivität der Kühlleistung des Vorkühlers reicht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Luftkühlung für den Vorkühler aus. Alternativ wird aber bevorzugt für die Kühlung des Vorkühlers eine Flüssigkeitskühlung realisiert. Der Abgasrückführkühler, sofern eine Kühleranordnung einen solchen aufweist, und der Ladeluftkühler werden hingegen aufgrund der höheren Effektivität einer Flüssigkeitskühlung gegenüber einer Luftkühlung bevorzugt über eine Flüssigkeitskühlung gekühlt. Bevorzugt erfolgt die Kühlung des Vorkühlers im Betrieb kontinuierlich, das heißt – in Bezug auf den Temperaturgradienten – sowohl im stationären Zustand, als auch im transienten Zustand. Ein kontinuierlicher Kühlbetrieb wird bevorzugt auch für den Abgasrückführkühler und den Ladeluftkühler realisiert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ausgestaltung des Vorkühlers als gekühlte Abgasleitung vorgesehen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Kühleranordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Vorkühler in einem Kühlkreislauf angeordnet ist, wobei der Kühlkreislauf ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf. Ebenso sind bevorzugt der Abgasrückführkühler, sofern eine Kühleranordnung einen solchen aufweist, und der Ladeluftkühler in einem Kühlkreislauf angeordnet, wobei der Kühlkreislauf ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf. Die Temperatur eines flüssigen Kühlmediums in einem Hochtemperaturkreislauf liegt vorzugsweise zwischen 80 °C und 90 °C. Bevorzugt kann hierbei Motorkühlwasser als Kühlmedium verwendet werden. Die Temperatur eines flüssigen Kühlmediums in einem Niedertemperaturkreislauf liegt vorzugsweise bei weniger als 50 °C. Der Niedertemperaturkreislauf ist bevorzugt unabhängig von einem Motorkühlkreislauf ausgebildet, insbesondere kann hier Wasser aus der Umgebung, beispielsweise Seewasser, als Kühlmedium verwendet werden. In einer bevorzugten Variante des Ausführungsbeispiels wird der Vorkühler mit einem flüssigen Kühlmedium des Hochtemperaturkreislaufs gekühlt. Bevorzugt werden der Abgasrückführkühler und der Ladeluftkühler mit einem flüssigen Kühlmedium des Niedertemperaturkreislaufs gekühlt. Es ist also möglich, dass Vorkühler, Abgasrückführkühler und Ladeluftkühler in verschiedenen Kühlkreisläufen angeordnet sind.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Abgasrückführungssystem geschaffen wird, welches eine Kühleranordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist, wobei über einen ersten Fluidpfad Abgas aus mindestens einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine bevorzugt dem Vorkühler zuführbar ist, und wobei über einen zweiten Fluidpfad Ladeluft bevorzugt dem Ladeluftkühler zuführbar ist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Abgasrückführungssystem insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kühleranordnung erläutert wurden. Bevorzugt kann der genau eine Vorkühler vorzugsweise einer variablen Zahl von Brennkammern zugeordnet werden, wobei die mindestens eine Brennkammer auslassseitig stromaufwärts des Vorkühlers angeordnet ist. Eine bestimmte Variante des Vorkühlers ist damit vorzugsweise ohne Adaption geeignet, mit unterschiedlichen Brennkraftmaschinen, welche jeweils unterschiedliche Zylinderzahlen aufweisen können, kombiniert zu werden. Der Vorkühler ist mit dem Auslass der mindestens einen Brennkammer fluidverbunden. Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Vorkühler und der mindestens einen Brennkammer eine zweite Stelleinrichtung zur Veränderung der Abgasrückführrate, insbesondere eine Abgasrückführklappe oder eine Drossel. Wie bei Abgasrückführungssystemen üblich, erfolgt eine vorzugsweise variable Aufteilung des abzuführenden Abgases auslassseitig der Brennkraftmaschine, wobei ein erster Teil dem Vorkühler zugeführt wird und ein zweiter Teil an die Umgebung abgegeben wird. Über den zweiten Fluidpfad erfolgt die Zuführung vorzugsweise verdichteter Ladeluft zu dem Ladeluftkühler. Diese wird vorzugsweise mit dem Abgas, welches über den ersten Fluidpfad in Richtung des Ladeluftkühlers geführt wird, gemischt. Wie bereits beschrieben, kann die Mischung der Frischluft mit dem Abgas vor Eintritt in den Ladeluftkühler stattfinden oder alternativ in dem Ladeluftkühler. Das durch den Ladeluftkühler vorzugsweise gekühlte Fluid wird bevorzugt der mindestens einen Brennkammer eingangsseitig zugeführt.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche ein Abgasrückführungssystem mit einer Kühleranordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Kühleranordnung und dem Abgasrückführungssystem erläutert wurden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem, welches eine Kühleranordnung mit einem Vorkühler und einem Ladeluftkühler aufweist, und
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem, welches eine Kühleranordnung mit einem Vorkühler, einem Abgasrückführkühler und einem Ladeluftkühler aufweist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasrückführungssystem 3. Das Abgasrückführungssystem 3 weist eine Kühleranordnung 5 mit einem Vorkühler 7 und einem Ladeluftkühler 9 auf. Der Vorkühler 7 und der Ladeluftkühler 9 sind dabei entlang eines ersten Fluidpfads 11 angeordnet, wobei der Vorkühler 7 stromaufwärts – das heißt entgegen der Strömungsrichtung eines Fluidstroms – des Ladeluftkühlers 9 in dem ersten Fluidpfad 11 angeordnet ist. Vorzugsweise fungiert der Vorkühler 7 als thermischer Dämpfer, der geeignet ist, eine abgasinduzierte thermomechanische Wechselbelastung für stromabwärts des Vorkühlers 7 – das heißt in Strömungsrichtung des Fluidstroms – angeordnete Einrichtungen, insbesondere den Ladeluftkühler 9, zu verringern. Der Vorkühler 7 ist vorzugsweise auch eingerichtet, um Abgas, welches den ersten Fluidpfad 11 passiert, Wärme zu entziehen. Weiterhin ist der Vorkühler 7 eingerichtet, das Abgas, welches den ersten Fluidpfad passiert, katalytisch zu oxidieren. Hierdurch ist es insbesondere möglich, unverbrannte Kohlenwasserstoffe abzubauen und dadurch eine Verschmutzung, Versottung und Kondensatbildung in dem Vorkühler 7 sowie in stromabwärts desselben angeordneten Einrichtungen zu reduzieren.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vorkühler 7 als Rohrbündelkühler ausgebildet, insbesondere als flacher oder runder Rohrbündelkühler, wobei der Vorkühler 7 eine Beschichtung aus wenigstens einem katalytisch aktiven Material aufweist. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vorkühler 7 eingerichtet, um in dem den ersten Fluidpfad 11 passierenden Abgas enthaltene Partikel abzuscheiden.
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Bevorzugt ist der Vorkühler 7 über eine Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung gekühlt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vorkühler 7 in einem Kühlkreislauf, welcher in 1 nicht dargestellt ist, angeordnet, wobei der Kühlkreislauf ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mündet ein zweiter Fluidpfad 13 in einen Abschnitt des ersten Fluidpfads 11 zwischen dem Vorkühler 7 und dem Ladeluftkühler 9. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird über einen Teilabschnitt des ersten Fluidpfads 11‘ Abgas aus mindestens einer Brennkammer 15 der Brennkraftmaschine 1 dem Vorkühler 7 zugeführt. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur eine der Brennkammern 15 mit einem Bezugszeichen versehen. Über einen Teilabschnitt des zweiten Fluidpfads 13‘ wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dem Ladeluftkühler 9 Frischluft zugeführt. Ein Mündungsabschnitt 17, an dem der erste Fluidpfad 11 und der zweite Fluidpfad 13 ineinander münden, liegt bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Abschnitt zwischen dem Vorkühler 7 und dem Ladeluftkühler 9, stromabwärts gesehen vor einer ersten Stelleinrichtung 19 zur Strömungsquerschnittsvariation, insbesondere einer Ventileinrichtung oder Drossel. Ebenso gut ist es möglich, dass der Mündungsabschnitt 17 in einem Abschnitt zwischen der ersten Stelleinrichtung 19 und dem Ladeluftkühler 9 oder alternativ innerhalb des Ladeluftkühlers 9 liegt.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Frischluft zunächst in mindestens einem Luftfilter 21, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur ein Luftfilter 21 mit einem Bezugszeichen versehen ist, gereinigt. Anschließend wird die Frischluft in mindestens einem Niederdruck-Turbolader 23, welcher durch einen Abgasstrom angetrieben wird, verdichtet und in mindestens einem Niederdruckladeluftkühler 25 abgekühlt. Der Übersichtlichkeit wegen sind jeweils nur ein Niederdruck-Turbolader 23 und ein Niederdruckladeluftkühler 25 mit einem Bezugszeichen versehen. Es ist stromabwärts ein weiterer Hochdruck-Turbolader 27 angeordnet, welcher durch den Abgasstrom angetrieben wird und die Frischluft weiter verdichtet. Der Abgasstrom, der mindestens eine Brennkammer 15 auslassseitig verlässt, wird zu einem ersten Teil dem Teilabschnitt des ersten Fluidpfads 11‘ zugeführt und zu einem zweiten Teil dem Hochdruck-Turbolader 27 sowie dem mindestens einen Niederdruck-Turbolader 23 zugeführt, bevor er an die Umgebung abgegeben wird.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist zusammenfassend dadurch charakterisiert, dass der Vorkühler 7 eingerichtet ist, als thermischer Puffer Temperaturspitzen des Abgases abzubauen, vorzugsweise die Temperatur des Abgases zu reduzieren, und das Abgas katalytisch zu oxidieren. Der stromabwärts des Vorkühlers 7 angeordnete, hocheffiziente Ladeluftkühler 9 ist eingerichtet, das Gemisch aus Abgas und Frischluft zu kühlen. Aufgrund der durch den Vorkühler 7 bewirkten reduzierten thermomechanischen Wechselbelastung in dem Ladeluftkühler 9 ist es möglich, diesen besonders effizient, das heißt mit hohem Wirkungsgrad und bauraumsparend, auszulegen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1 mit dem Abgasrückführungssystem 3, welches eine Kühleranordnung 5‘ aufweist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Kühleranordnung 5‘ weist einen Vorkühler 7‘ sowie einen Abgasrückführkühler 29 auf. Der Abgasrückführkühler 29 ist in einem Abschnitt des ersten Fluidpfads 11 zwischen dem Vorkühler 7‘ und einem Ladeluftkühler 9‘ angeordnet. Der Abgasrückführkühler 29 ist eingerichtet, dem Abgas, welches den ersten Fluidpfad 11 passiert, Wärme zu entziehen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mündet der zweite Fluidpfad 13 in einem Mündungsabschnitt 17 in den ersten Fluidpfad 11. Der Mündungsabschnitt 17 liegt vorzugsweise in einem Abschnitt des ersten Fluidpfads zwischen dem Abgasrückführkühler 29 und dem Ladeluftkühler 9‘, oder alternativ im Inneren des Luftladekühlers 9‘.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist zusammenfassend dadurch charakterisiert, dass der Vorkühler 7‘ eingerichtet ist, als thermischer Puffer Temperaturspitzen des Abgases abzubauen, vorzugsweise die Temperatur des Abgases zu reduzieren, und das Abgas katalytisch zu oxidieren. Der stromabwärts angeordnete Abgasrückführkühler 29 ist eingerichtet, das Abgas abzukühlen. Der stromabwärts angeordnete Ladeluftkühler 9‘ ist eingerichtet, das Gemisch aus Abgas und Frischluft abzukühlen.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels der hier vorgeschlagenen Kühleranordnung 5, 5‘, dem Abgasrückführungssystem 3 und der Brennkraftmaschine 1 insbesondere die Lebensdauer von Komponenten in einem Abgasrückführungssystem sowie Wartungsintervalle verlängert, das Risiko von Betriebsausfällen verringert, die Effizienz der Komponenten und des Systems gesteigert und die Herstellungs- und Betriebskosten gesenkt werden können.
