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Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführungssystem mit einem Kühlerkanal und einem Bypasskanal, die einen gemeinsamen Einlass- und Auslasskanal aufweisen, die zur Temperaturregelung mindestens teilweise mit einer Ummantelung umgeben sind.
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Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) wird zur Minderung der Emission von Stickoxiden verwendet, die bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehen. Dazu wird Abgas der Ladeluft zugemischt und damit durch eine Brennkraftmaschine zirkuliert. Durch die Zumischung von Abgas in die angesaugte Luft sinkt deren Sauerstoffgehalt, und bei einer geringeren Kraftstoffeinspritzung sinkt die Verbrennungstemperatur des Kraftstoff-Luftgemischs. Da die Reaktionsgeschwindigkeit der Stickoxidbildung von der Verbrennungstemperatur abhängt, bilden sich bei niedrigen Verbrennungs-temperaturen weniger Stickoxide. Ein Kühlen des rückgeführten Abgases verstärkt diesen Effekt. Dazu kann eine Kühleinrichtung im AGR-System angeordnet sein.
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Bei einem Niederdruck- (ND) AGR-System wird Abgas hinter einer Abgasnachbehandlungsanlage dem Abgastrakt entnommen und vor dem Verdichter eines Turboladers im Ansaugtrakt der Ladeluft zugeführt. Im Vergleich zu einem Hochdruck- (HD) AGR-System ist das rückgeführte Abgas in einem ND-AGR-System partikelärmer. Nachteilig ist bei einem ND-AGR, dass sich in dem Abgas bei Unterschreiten eines Taupunkts des Abgases Kondensat bilden kann. Typischerweise werden die Kanäle des ND-AGR-Systems durch einschichtige Wandungen begrenzt, die in der Regel so dünn sind, dass die Temperaturen der Kanäle leicht von den Umgebungstemperaturen beeinflusst werden können. An den Wandungen der Kanäle des ND-AGR-Systems kann sich Kondensat niederschlagen, wenn die Außentemperaturen ein Unterschreiten des Taupunktes des Abgases bedingen. Kondenswasser kann z.B. nachteilig bewirken, dass die Abgasrückführungsleitung korrodiert (
DE 11 2011 105 087 T5 ). Problematisch ist in diesem Zusammenhang, dass das Kondensat zu großen Tropfen agglomerieren kann. Besonders vor einem im ND-AGR-System angeordneten Abgasrückführventil (AGR-Ventil) können sich große Tropfen sammeln, wenn dieses während längerer Phasen, in denen der Betrieb der Brennkraftmaschine kein rückgeführtes Abgas erfordert, geschlossen ist. Dabei kann auch während dieser Phasen durch Abgaspulsation frisches Abgas in das ND-AGR-System gelangen, das weiteres Wasser in gasförmiger Form in das ND-AGR-System bringt. Wird nach längerem Schließen das AGR-Ventil wieder geöffnet, können große Kondensattropfen in den Verdichter gelangen. Es besteht dabei die Gefahr, dass die Tropfen das sich schnell drehende Rad des Verdichters durch Tropfenschlag beschädigen, was auch weitere Folgen wie eine Beschädigung der Brennkraftmaschine nach sich ziehen kann. Zum weiteren technischen Hintergrund wird auf die Druckschriften
DE 103 21 637 A1 ,
JP 2009 -
97 340 A und
US 2009 / 0 056 909 A1 verwiesen.
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Es besteht darum die Aufgabe, die Bildung großer Kondensattropfen in einem AGR-System zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch ein AGR-System mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein AGR-System zum Leiten von Abgas aus einem Abgastrakt in einen Ansaugtrakt eines Kraftfahrzeugs, das mindestens einen Einlasskanal, einen Auslasskanal, einen Kühlerkanal mit einer Kühlereinrichtung, einen Bypasskanal, ein Abgasrückführventil und ein Bypassventil aufweist, und bei dem mindestens ein Teil der Kanäle eine an der Außenseite einer jeweiligen Kanalwand angeordnete Ummantelung aufweist, die zur Aufnahme mindestens eines fluiden Mediums ausgebildet und mit mindestens einem Kreislauf des fluiden Mediums verbunden ist, und die Ummantelung den Auslasskanal umhüllt.
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Das AGR-System ist vorteilhaft, weil die Ummantelung durch das Einleiten eines fluiden Mediums, das eine bestimmte Temperatur aufweist, das Regulieren einer Temperatur im Kanal, besonders an den Kanalwänden, ermöglicht. Besonders vorteilhaft ermöglicht das System das Einleiten eines fluiden Mediums, das eine bestimmte Temperatur aufweist, die auf die Wände des oder der Kanäle des AGR-Systems übertragen werden kann.
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Dadurch kann die Temperatur besonders der Kanalwände über den Taupunkt des Abgases erhöht werden, und einer Kondensatbildung im AGR-System besonders während Betriebsphasen, in denen keine Abgas rückgeführt wird, entgegengewirkt werden. Die Ummantelung kann damit auch als eine Art Wärmemantel verstanden werden. Grundsätzlich kann aber auch ein Medium mit einer beliebigen Temperatur in die Ummantelung eingeleitet werden, die z. B. auch einen kühlenden Effekt bewirkt.
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Das AGR-System ist besonders ein ND-AGR-System. Im Folgenden ist ein ND-AGR-System gemeint, wenn AGR-System geschrieben wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die erfindungsgemäße Idee in einem HD-AGR-System verwendet wird.
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Die Ummantelung umhüllt den Auslasskanal. Das ist vorteilhaft, weil sich der Auslasskanal in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der anderen Kanäle und damit weiter weg vom Abgastrakt befindet, und damit mehr Wärme vom Abgas und vom warmen Abgastrakt aufnehmen kann als die stromaufwärts gelegenen Teile des AGR-Systems. Weiterhin befindet sich am Ende des Auslasskanals das AGR-Ventil, in dessen Nähe sich besonders wenig Kondensat bilden soll, so dass die Ummantelung zur Wärmezufuhr in diesen Bereich besonders vorteilhaft ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ummantelung des Auslasskanals mit einem Gehäuse des Bypassventils verbunden. Das Gehäuse des Bypassventils kann auch Strömungskanäle zum Leiten eines Mediums aufweisen, die mit der Ummantelung des Auslasskanals verbunden werden können.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Ummantelung den Einlasskanal umhüllt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das fluide Medium eine Flüssigkeit ist. Praktischerweise kann beispielsweise Wasser als Flüssigkeit verwendet werden. Weiterhin kann ein Kühlmittel verwendet werden, wobei Wasser unter dem Begriff Kühlmittel eingeschlossen ist. Allgemein bezieht sich der Begriff Kühlmittel dabei auf Medien, die zum Kühlen z. B. der Kühlereinrichtung des AGR-Systems verwendet werden können. Es ist darum ebenfalls bevorzugt, wenn die Ummantelung, das Bypassventilgehäuse und die Kühlereinrichtung strömbar miteinander verbunden sind, so dass dasselbe Medium durch diese hindurch strömen kann. Dabei kann das Medium natürlich auch Wärme aufnehmen, die im Bereich der Ummantelung auf das Material des AGR-Systems übertragen werden können. Strömbar heißt, dass ein fluides Medium durch Kanäle zwischen den Einrichtungen ausgetauscht werden kann.
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Weiterhin ist die Ummantelung vorzugsweise in einzelne Abschnitte unterteilt, die durch Überbrückungskanäle strömbar miteinander verbunden sind. Dadurch kann bedarfsweise ein einzelner Abschnitt der Ummantelung mit dem Medium versorgt werden, oder verschiedene, nicht direkt benachbarte Abschnitte.
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Weiterhin weist das System vorzugsweise zusätzlich eine Steuereinrichtung und mindestens einen Temperatursensor auf. Die Steuereinrichtung stimmt vorteilhaft in Abhängigkeit von den mittels des Temperatursensors bestimmten Temperaturen innerhalb der Kanäle des AGR-Systems, besonders an den Innenseiten der Kanalwände, die Wärmezufuhr in die Ummantelung ab.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen AGR-System.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Temperatur von Kanälen eines erfindungsgemäßen AGR-Systems, wobei die Wärmezufuhr durch Einleiten eines fluiden Mediums in die Ummantelung geregelt wird, mit den Schritten:
- - S1) Betreiben einer Brennkraftmaschine,
- - S2) Schließen des Abgasrückführventils,
- - S3) Messen der Temperatur in mindestens einem Kanal des Systems,
- - S4) Erhöhen der Wärmezufuhr mittels eines fluiden Mediums mit einer Temperatur, die höher als eine Taupunkttemperatur des Abgases ist, wenn die Temperatur in dem Kanal des Systems geringer als die Taupunkttemperatur ist.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen AGR-Systems.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System).
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen AGR-Systems.
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen AGR-Systems.
- 4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein AGR-System 1 gemäß der Darstellung von 1 weist typischerweise einen Kühlerkanal 2 mit einer Kühlereinrichtung 2a und einen Bypasskanal 3 auf, durch die das Abgas geleitet werden kann. Durch das AGR-System 1 wird Abgas aus einem Abgastrakt 4 in einen Ansaugtrakt 5 geleitet. Das AGR-System 1 beginnt mit einem Einlasskanal, der stromabwärts einer Abgasnachbehandlungsanlage 6, in der Katalysatoren beispielsweise wie Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren oder Filter wie beispielsweise Dieselpartikelfilter angeordnet sind, vom Abgastrakt 4 abzweigt. Der Einlasskanal 3a verzweigt in den Kühlerkanal 2 und den Bypasskanal 3. Das AGR-System 1 mündet stromaufwärts eines Verdichters 7 eines Abgasturboladers in den Ansaugtrakt 5. Zum Regeln des Abgasstroms vom AGR-System 1 in den Ansaugtrakt 5 ist ein AGR-Ventil 8 im AGR-System angeordnet. Stromaufwärts des AGR-Ventils 8 laufen die Kanäle 2 und 3 in einen gemeinsamen Auslasskanal 3b zusammen. Im Bypasskanal 3 ist ein Bypassventil 9 angeordnet, um zu regeln, ob oder zu welchem Teil Abgas durch den Kühlerkanal 2 oder den Bypasskanal 3 des AGR-Systems 1 strömt. Das AGR-System gemäß 1 ist ein Niederdruck-AGR-System. Alternativ kann das AGR-System auch ein Hochdruck-AGR-System sein.
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In einer Ausführungsform des AGR-System 1 gemäß 2 ist an der Außenseite des Einlasskanals 3a und des Auslasskanals 3b jeweils eine Ummantelung 10 angeordnet. Der Bypasskanal 3 weist in 2 keine Ummantelung auf. Im Bereich des Bypasskanals 3 befinden sich Leitungen, in denen ein Medium, z. B. eine Flüssigkeit, praktischerweise Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit, z. B. ein Kühlmittel, von dem Teil der Ummantelung 10 im Bereich des Einlasskanals 3a zur Ummantelung 10 im Bereich des Auslasskanals 3b geleitet werden kann. Alternativ kann das AGR-System 1 aber auch im Bereich des Bypasskanals 3 die erfindungsgemäße Ummantelung 10 aufweisen. Die Ummantelung 10 kann in Teilbereiche untergliedert sein, oder auch als ganze Ummantelung um die Kanäle 3a, 3 und 3b vorliege. Im Bereich des Bypasskanals 3 kann auch eine separate Schutzhülle für das Bypassventil 9 vorhanden sein, die ebenfalls von einem Medium durchströmbar ist, idealerweise von demselben Medium wie die Ummantelung 10.
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Eine Zuleitung 11 ist vorgesehen, um das Medium in das AGR-System 1 einzuleiten. Eine Ableitung 12 ist vorgesehen, um das Medium aus dem AGR-System 1 abzuleiten. Dabei fließt dasselbe Medium im Bereich der Ummantelung 10, der Kühlereinrichtung 2a und der Schutzhülle für das Bypassventil 9. Die besagten Einrichtungen befinden sich idealerweise in einem Kreislauf des Mediums. Das Medium kann dabei Wärme sowohl aufnehmen als auch ableiten. Je nach Anforderung kann das Medium vor der Zuleitung in die Ummantelung 10 erwärmt werden. Das kann z. B. durch Übertragung von Wärme aus dem Bereich der Brennkraftmaschine geschehen, indem z. B. eine Leitung des Kreislaufs an der Brennkraftmaschine vorbeigeführt wird. Alternativ kann der Kreislauf des AGR-Systems auch mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden sein, um Wärme aufzunehmen. Dabei können die verbundenen Kreisläufe auch dasselbe Medium aufweisen, so dass z. B. bei Bedarf Medium aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine in die Ummantelung 10 geleitet werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist ein Anordnen einer elektrischen Heizvorrichtung (nicht gezeigt), mittels der bei Bedarf das Medium erwärmt werden kann.
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Zur Leitung des Medium zwischen Teilbereichen der Ummantelung 10 sind Überbrückungsleitungen 13 im Bereich der Befestigungsflansche 14 angeordnet. Wenn die Ummantelung 10 nicht in Teilbereiche gegliedert ist, sind keine Überbrückungsleitungen notwendig.
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In einer weiteren Ausführungsform des AGR-Systems 1 gemäß der Darstellung von 3 weisen der Bypasskanal 3 und der Auslasskanal 3b eine gemeinsame Ummantelung 10 auf. In dieser Ausführungsform weist der Einlasskanal 3a keine Ummantelung 10 auf, weil der Einlasskanal 3a durch die räumliche Nähe zum Abgastrakt 4 genug Wärme aufnimmt, um die Temperatur über dem Taupunkt des Abgases zu halten bzw. eine Kondensatbildung gering zu halten.
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In einem Verfahren, um der Bildung von Kondensat in den Bereichen des AGR-Systems 1, die von der Ummantelung 10 umgeben sind, entgegenzuwirken, wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine betrieben. Dabei wird Abgas durch den Abgastrakt 4 und das AGR-System 1 geleitet. In einem zweiten Schritt S2 wird während einer Phase, in der kein Abgas rückgeführt werden soll, das Abgasrückführventil 8 geschlossen. In einem dritten Schritt S3 wird im durch jeweils einen Temperatursensor 15 an der Innenseite der Wand des Bypasskanals 3 und des Auslasskanals 3b eine Temperatur gemessen. Das Temperatursignal wird zur Steuereinrichtung 15 geleitet. Ist die Temperatur niedriger als der Taupunkt des Abgases oder in etwa gleich dem Taupunktes, wird in einem vierten Schritt S4 wird von der Steuereinrichtung 15 ein Signal an Ventile und Pumpen im Kreislauf des Mediums gesendet, um über das Medium die Temperatur in der Ummantelung 10 zu erhöhen. Dazu kann z. B. das Medium durch Wärmeaustausch mit Kühlerflüssigkeit aus dem Kühlerkreislauf der Brennkraftmaschine Wärme aufnehmen, oder Kühlerflüssigkeit aus dem Kühlerkreislauf der Brennkraftmaschine in den Kreislauf des AGR-Systems 1 geleitet werden, soweit die Kühlerflüssigkeit und das Medium identisch oder artgleich sind.
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Alternativ kann die Wärmezufuhr mittels der Ummantelung 10 auch erhöht werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erhöht wird. Dadurch wird in selben Zeitraum mehr Wärme zugeführt.
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Alternativ kann die Temperatur des Mediums durch Erwärmen mittels der o.g., nicht gezeigten elektrischen Heizeinrichtung erhöht werden.
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Ist die in Schritt S3 gemessene Temperatur höher als der Taupunkt, wird der Ummantelung 10 keine zusätzliche Wärme zugeführt. Weiterhin kann auch kühleres Medium in die Ummantelung 10 eingeleitet werden, um bei zu hohen Abgastemperaturen eine Kühlung der Kanäle im AGR-System 1 zu bewirken, besonders des Einlass- und Auslasskanals 3a bzw. 3b.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasrückführungssystem
- 2
- Kühlerkanal
- 2a
- Kühlereinrichtung
- 3
- Bypasskanal
- 3a
- Einlasskanal
- 3b
- Auslasskanal
- 4
- Abgastrakt
- 5
- Ansaugtrakt
- 6
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 7
- Verdichter
- 8
- Abgasrückführungsventil
- 9
- Bypassventil
- 10
- Ummantelung
- 10a
- Bypassventil-Gehäuse
- 11
- Zuleitung
- 12
- Ableitung
- 13
- Überbrückungsleitung
- 14
- Befestigungsflansch
- 15
- Temperatursensor
- 16
- Steuereinrichtung
