DE102016003003B4

DE102016003003B4 - Zuführungsanordnung zur Einleitung von rückgeführtem Abgas

Info

Publication number: DE102016003003B4
Application number: DE102016003003.8A
Authority: DE
Inventors: Hermann Braun; Thomas Rode; Christian-Paul Stelzer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-03-12
Also published as: EP3426901A1; US20180223776A1; EP3426901B1; DE102016003003A1; WO2017153042A1; CN109072785B; CN109072785A; US10495034B2; RU2700845C1

Abstract

Vorliegend wird eine Zuführungsanordnung für die Einleitung von rückgeführtem Abgas in den Frischluftkanal (1) einer Brennkraftmaschine vorgestellt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Frischluftkanal (1) zur Unterbrechung der Frischluftzufuhr vor einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine Schnellschlussklappe (4) angeordnet ist und die Austrittsöffnung (2) der Abgasrückführung (3) zentral im Frischluftkanal (1) und in Strömungsrichtung der Frischluft unter minimaler Spaltbildung vor der Schnellschlussklappe (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zuführungsanordnung für rückzuführendes Abgas in die Verbrennungsluft von Brennkraftmaschinen.
Bei der Abgasrückführung wird ein Teil des bei der Verbrennung entstandenen Abgases der zur Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Frischluft als Inertgas zugeführt, um dadurch den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft zu reduzieren. Hierdurch läuft die Verbrennung auf einem niedrigeren Temperaturniveau ab und die Entstehung von Stickoxiden wird vermindert. Entsprechende Konzepte einer Abgasrückführung (EGR) sind unter anderem aus der US 2007/0 107 708 A1 sowie aus der JP H09-317 579 A bekannt.
US 2007/0 107 708 A1 beschreibt eine Regeleinrichtung einer Abgasrückführung einer mit Diesel-Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, bei der zur Regelung der Abgasrückführrate ein motorbetriebene Drosselklappe zum Einsatz kommt.
JP H09-317 579 A offenbart verschiedene Zuführungsanordnungen für die Einleitung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases in die Verbrennungsluft. Hierbei handelt es sich um mehrere Abgaszuleitungsrohre, die in die jeweiligen Frischluftkanäle der einzelnen Zylinder eingesetzt werden. Durch die beschriebenen Anordnungen soll eine möglichst homogene Durchmischung des Abgases mit der frischen Verbrennungsluft erreicht werden, um so in allen Zylindern der Brennkraftmaschine das Temperaturniveau der Verbrennung gleichmäßig absenken zu können.
Durch die Einleitung des Abgases gelangen jedoch im Abgas enthaltene Rußpartikel in den Frischluftkanal, die sich bei längerer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine unter anderem an den Kanten und Absätzen des Frischluftkanals festsetzen. Problematisch sind diese Ablagerungen insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine mit Schnellschlussklappen ausgestattet ist, die zur schnellen Abschaltung der Brennkraftmaschine in Notsituationen vorgesehen sind. Sie befinden sich im Frischluftkanal der Brennkraftmaschine und verschließen diesen, um dadurch eine sofortige Unterbrechung der zur Verbrennung notwendigen Frischluftzufuhr zu erreichen. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE 198 42 842 A1 bekannt. Durch Rußpartikelablagerungen im Bereich der Schnellschlussklappe besteht die Gefahr, dass bei Betätigung der Schnellschlussklappen die Frischluftzufuhr auf Grund von Ablagerungen und damit verbunden durch fehlende Abdichtung des Frischluftkanals nicht vollständig unterbrochen wird oder ein Auslösen der Klappen auf Grund von Partikelablagerungen im Klappenmechanismus vollständig verhindert wird, wodurch die Brennkraftmaschine somit trotz eines Auslösen des Mechanismus nicht abgeschaltet werden kann. Um die ständige Funktionsfähigkeit der Schnellschlussklappen zu gewährleisten, werden für entsprechende Brennkraftmaschinen daher oftmals Wartungsanforderungen aufgestellt, die ein regelmäßiges manuelles Auslösen der Schnellschlussklappen vorsehen, um dadurch eventuelle Ablagerungen im Bereich der Klappen zu entfernen. In der Praxis hat sich dies als sehr aufwendig herausgestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Wartungsanforderungen zu minimieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Frischluftkanal zur Unterbrechung der Frischluftzufuhr vor einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine Schnellschlussklappe angeordnet ist. Die Austrittsöffnung der Abgasrückführung ist dabei zentral im Frischluftkanal und in Strömungsrichtung der Frischluft unter minimaler Spaltbildung vor der Schnellschlussklappe angeordnet. Mit anderen Worten, die Austrittsöffnung der Abgasrückführung und der Klappenteller der Schnellschlussklappe berühren sich in geschlossenem Zustand gerade nicht. Zur Realisierung dieser Anordnung wird für die Zuleitung des Abgasstromes ein Rohrkrümmer verwendet.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass die Durchmischung von Abgas- und Frischluftstrom in Strömungsrichtung betrachtet erst hinter der Schnellschlussklappe stattfindet. Zusätzlich wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Abgasrückführung eine sehr homogene Durchmischung von Frischluft und rückgeführtem Abgas bewirkt. Der in den Frischluftstrom eingeleitete Abgasstrom breitet sich im Frischluftkanal ausgehend von der Austrittsöffnung als turbulente Strömung konzentrisch aus, bis er die Wandung des Frischluftkanals erreicht. Die Länge der Strecke bis zum Erreichen der Wandung des Frischluftkanals hängt dabei von den Reynolds-Zahlen der beiden Ströme ab. Durch die unmittelbare Anordnung der Austrittsöffnung des Abgaszuleitungsrohr vor dem Klappenteller der Schnellschlussklappe ist sichergestellt, dass im Bereich des Klappenmechanismus eine Ablagerung der im Abgas enthaltenen Rußpartikel nicht stattfindet. Hierdurch ist die ständige Funktionsbereitschaft des Klappenmechanismus gewährleistet, wodurch die Wartungsanforderung einer regelmäßig manuellen Betätigung der Schnellschlussklappe entfällt.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Diese zeigt:
1 einen Frischluftkanal mit Schnellschlussklappe und als Rohrkrümmer ausgeführtem Abgaszuleitungsrohr.
In 1 ist ein Frischluftkanal 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt. In Zeichnungsrichtung betrachtet, strömt die zur Verbrennung benötigte Frischluft von oben nach unten in den Frischluftkanal 1, Bezugszeichen EIN. Im Frischluftkanal 1 befindet sich eine Schnellschlussklappe 4, die der Unterbrechung des Frischluftstromes dient, um ein schnelles Abschalten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Die Schnellschlußklappe 4 umfasst einen Schnellschlussklappenmechanismus 7 und einen Klappenteller 6. Das Schließen der Schnellschlussklappe 4 erfolgt bei Bedarf durch Auslösen des Schnellschlussklappenmechanismus 7. Unmittelbar vor dem Klappenteller 6 der Schnellschlussklappe 4 befindet sich zentral im Frischluftkanal 1 die Austrittsöffnung 2 der Abgasrückführung 3. Unmittelbar ist erfindungsgemäß so zu verstehen, dass die Austrittsöffnung 2 der Abgasrückführung 3 unter minimaler Spaltbildung vor dem Klappenteller 6 der Schnellschlussklappe 4 angeordnet ist, so dass sich die Austrittsöffnung 2 und der Klappenteller 6 bei geschlossener Schnellschlussklappe 4 gerade nicht berühren. Die zentrale Anordnung der Austrittsöffnung 2 im Frischluftkanal 1 ist notwendig, um einerseits eine möglichst homogene Durchmischung der beiden Gase zu erzielen und andererseits, um die Strecke bis zum Erreichen der inneren Wandung der im Abgas enthaltenen Rußpartikel möglichst groß zu gestalten. Zur zentralen Anordnung der Austrittsstelle 2 im Frischluftkanal 1 ist die Abgasrückführung 3 als Rohrkrümmer 5 ausgestaltet.
Mit Hilfe der Abgasrückführung 3 wird der Frischluft ein Teil des bei der Verbrennung entstehenden Abgases zugeführt. Ausgehend von der Austrittsöffnung 2 der Abgasrückführung 3 breitet sich das in die Frischluft einströmende Abgas unter turbulenten Strömungsverhältnissen konzentrisch aus. Die im Abgas enthaltenen Rußpartikel erreichen die innere Wandung des Frischluftkanals 1 in Strömungsrichtung betrachtet somit erst weit hinter der Schnellschlussklappe 4. Eine Ablagerung der Rußpartikel im Bereich der Schnellschlussklappe 4 wird hierdurch wirksam unterbunden. Die Strömung des Abgases im Frischluftkanal 1 ist in 1 ausgehend von der Austrittsstelle 2 der Abgasrückführung 3 als gestrichelter Stromfaden 8 eingezeichnet, um die Strömungsrichtung im Frischluftkanal darzustellen. Nach vollständiger Durchmischung von Abgas und Frischluft verlässt das Gasgemisch den Frischluftkanal 1 schließlich in Zeichnungsrichtung betrachtet nach rechts in Richtung Brennraum, Bezugszeichen AUS.
Bezugszeichenliste

1: Frischluftkanal
2: Austrittsöffnung
3: Abgasrückführung
4: Schnellschlussklappe
5: Rohrkrümmer
6: Klappenteller
7: Schnellschlussklappenmechanismus
8: Stromfaden

Claims

Zuführungsanordnung für die Einleitung von rückgeführtem Abgas in einen Frischluftkanal (1) einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass im Frischluftkanal (1) zur Unterbrechung der Frischluftzufuhr vor einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine Schnellschlussklappe (4) angeordnet ist und die Austrittsöffnung (2) der Abgasrückführung (3) zentral im Frischluftkanal (1) und in Strömungsrichtung der Frischluft unter minimaler Spaltbildung vor der Schnellschlussklappe (4) angeordnet ist.
Zuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einleitung des Abgases in die Verbrennungsluft ein Rohrkrümmer (5) zum Einsatz kommt.