DE102017113524A1 - Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine (1), bei der ein Teil des Abgases (10) der Brennkraftmaschine (1) über eine Rückführleitung (11) aus dem Abgas (10) abzweigbar ist, und mit einer Mischeinrichtung (12), in der eine Ladeluft (13) mit dem abgezweigten Abgasteil (14) aus der Rückführleitung (11) zur Bildung einer Ladeluft-Abgasmischung (15) mischbar ist, und wobei die Ladeluft-Abgasmischung (15) der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist in der Rückführleitung (11) ein Turbolader (16) eingerichtet, wobei die Rückführleitung (11) über eine Verdichterseite (16a) des Turboladers (16) geführt ist, sodass der abgezweigte Abgasanteil (14) der Mischeinrichtung (12) verdichtet zuführbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, bei der ein Teil des Abgases der Brennkraftmaschine über eine Rückführleitung aus dem Abgas abzweigbar ist, und mit einer Mischeinrichtung, in der eine Ladeluft mit dem abgezweigten Abgasteil aus der Rückführleitung zur Bildung einer Ladeluft-Abgasmischung mischbar ist, und wobei die Ladeluft-Abgasmischung der Brennkraftmaschine zuführbar ist.
• STAND DER TECHNIK
• Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man grundsätzlich bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Insbesondere ist die Reduzierung von Stickstoffemissionen wünschenswert, die vordergründig bei Dieselmotoren von hoher Relevanz ist. Da die Bildung von Stickoxiden von Temperaturen im Brennraum abhängt, besteht ein Konzept zur Verringerung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungstemperaturen zu senken. Eine Senkung von Verbrennungstemperaturen erreicht man insbesondere durch die sogenannte Abgasrückführung, das heißt die Rückführung von Abgas aus dem Abgassystem in das Ansaugsystem, so dass ein Teil des Abgases erneut in den Brennraum geführt wird. Zielführend dabei ist, mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich zu senken, jedoch sollte bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen der Anteil an rückgeführtem Abgas nicht zu groß gewählt werden, da sonst nicht mehr hinreichend Abgas zum Betrieb des Turboladers zur Verfügung steht. Zur Einstellung der rückzuführenden Abgasmenge, das heißt der Rückführrate, sind gemäß dem Stand der Technik Stellelemente bekannt, welche auch als Abgasrückführventile bezeichnet werden, die in der Rückführleitung vorgesehen sind.
• Beispielsweise offenbart die DE 10 2012 223 808 A1 eine Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasrückführung aus einem Bypass des Abgasturboladers erfolgt. Der Bypass des Abgasturboladers wird folglich zusammengeführt mit der Rückführleitung zur Rückführung des Abgases. Die Steuerung der Bypasswirkung (waste-gate) des Turboladers und zur Rückführung des Abgases erfolgt über zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Stellelemente.
• Die KR 000100580453 B1 offenbart ein Rückführsystem mit einem sogenannten Druckstabilisierer, so dass die Rückführung des Abgases nicht lediglich auf dem Abgasdruck basiert, sondern es sind Mittel vorgesehen, die Rückführung des Abgases zusätzlich zu fördern.
• Werden Mittel zur Förderung des Abgases vorgesehen, sind nur begrenzte Fördermöglichkeiten zur erneuten Verdichtung des Abgases möglich. Schraubenkompressoren, elektrische Verdichter oder dergleichen sind nicht vorteilhaft geeignet, da die im Abgas vorhandenen Rußpartikel derartige Verdichter schädigen und außer Betrieb setzen können. Die Verdichtung des Abgases in Richtung zum Ladelufttrakt ist jedoch wünschenswert, um unabhängig vom Abgasgegendruck eine hohe Förderrate zur Abgasrückführung zu erzielen.
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine sowie die Bildung einer solchen Brennkraftmaschine, wobei die Rückführung des Abgases durch die Rückführleitung verbessert werden soll. Insbesondere soll die Förderrate des Abgases durch die Rückführleitung erhöht werden.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in der Rückführleitung ein Turbolader eingerichtet ist, wobei die Rückführleitung über eine Verdichterseite des Turboladers geführt ist, so dass der abgezweigte Abgasteil der Mischeinrichtung verdichtet zuführbar ist.
• Kerngedanke der Erfindung ist die Implementierung eines Turboladers in die Abgasrückführung. Ein Turbolader ist einsatzbedingt zur Verdichtung von Abgas ausgelegt, und Rußpartikel sowie weitere Feststoffe, die sich im Abgas befinden, führen nicht zur Schädigung der Verdichtereinheit. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Turbolader keinen Verbraucher darstellt, und es ist weder ein mechanischer noch ein elektrischer Antrieb des Turboladers erforderlich, um diesen zu betreiben. Der Turbolader verdichtet den aus der Leitung des Abgases abgezweigten Abgasteil, und ohne weitere Erhöhung des Abgasgegendrucks kann eine höhere Abgasrückführrate erreicht werden.
• Mit besonderem Vorteil ist der Turbolader vom Massenstrom des Abgases der Brennkraftmaschine antreibbar eingerichtet, indem das Abgas wenigstens teilweise über eine Turbinenseite des Turboladers geführt wird. Der Antrieb des Turboladers erfolgt also mit dem Abgas der Brennkraftmaschine, indem dieses entweder teilweise oder vollständig über eine Turbinenseite des Turboladers geleitet wird.
• Die Rückführleitung zur Bildung der Abgasrückführeinrichtung entspringt dabei in einer Abzweigung aus der Leitung des Abgases, wobei zwischen der Abzweigung und der Anordnung des Turboladers eine Abgaskühleinrichtung in der Rückführleitung eingerichtet ist. Die Abgaskühleinrichtung dient zur Verringerung der Abgastemperatur, bevor das Abgas der Verdichterseite des Turboladers zugeführt wird. Mit weiterem Vorteil ist zwischen der Abgaskühleinrichtung und der Anordnung des Turboladers eine Wasserabscheideeinrichtung in der Rückführleitung eingerichtet, die zur Entfeuchtung des gekühlten Abgases dient.
• Ein weiterer Vorteil entsteht auch dadurch, dass in der Rückführleitung ein Steuerventil eingerichtet ist, mit dem die Größe des abgezweigten Abgasteils steuerbar ist. Das Steuerventil ist vorzugsweise unmittelbar nach der Abzweigung der Rückführleitung von der Leitung des Abgases angeordnet, und mit dem Steuerventil kann die Menge des abgezweigten Abgases verringert werden, um nicht einen zu großen Teil des Abgases in den Turbolader in der Rückführleitung zu führen.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der Leitung des Abgases ein Abgasgegendruckventil eingerichtet, mit dem ein Gegendruck im Abgas einstellbar ist. Mit dem Abgasgegendruckventil wird erreicht, dass in dem Abschnitt der Leitung zur Führung des Abgases, in dem sich die Abzweigung befindet, ein hinreichend hoher Abgasdruck vorhanden ist, und so dass der gewünschte Teil des Abgases der Rückführleitung zuführbar ist.
• Gemäß einer Variante zur Ausführung der Erfindung ist zur Speisung der Turbinenseite des Turboladers das gesamte Abgas aus der Brennkraftmaschine dem Turbolader zuführbar.
• Gemäß einer alternativen Variante ist eine Abzweigung in der Leitung des Abgases eingerichtet, über die ein Teil des Abgases an die Turbinenseite des Turboladers führbar ist. Diese Variante weist folglich eine erste Abzweigung in der Leitung des Abgases auf, über die die Rückführleitung gespeist wird, um den rückzuführenden Teil des Abgases abzuzweigen. Die zweite Abzweigung dient zur Speisung der Turbinenseite des Turboladers, wobei das über die Turbinenseite des Turboladers geführte Abgas dem Haupt-Abgasstrom anschließend wieder zugeführt werden kann. Auch in der Abzweigung zur Entnahme des Teiles des Abgases für die Turbinenseite des Turboladers ist mit Vorteil ein Steuerventil eingerichtet.
• Die Erfindung richtet sich weiterhin auf eine Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Abgasrückführung, bei der ein Teil des Abgases der Brennkraftmaschine über eine Rückführleitung aus dem Abgas abzweigbar ist, und mit einer Mischeinrichtung, in der eine Ladeluft mit dem abgezweigten Abgasteil aus der Rückführleitung zur Bildung einer Ladeluft-Abgasmischung mischbar ist, und wobei die Ladeluft-Abgasmischung der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist in der Rückführleitung ein Turbolader eingerichtet, und die Rückführleitung ist über eine Verdichterseite des Turboladers geführt, so dass der abgezweigte Abgasteil der Mischeinrichtung verdichtet zuführbar ist. Die weiteren Merkmale und zugeordneten Vorteile, die vorstehend in Zusammenhang mit der Einrichtung zur Abgasrückführung beschrieben sind, finden für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ebenfalls Berücksichtigung.
• Mit besonderem Vorteil ist die Brennkraftmaschine ein Einzylinder-Prüfstandsmotor. Die Brennkraftmaschine kann dabei eine Verdichtereinheit zur Verdichtung der Ladeluft aufweisen, die beispielsweise elektrisch betrieben wird. Auch ist es denkbar, dass die Brennkraftmaschine einen Abgas-Turbolader aufweist, der zur Verdichtung der Ladeluft dient und mit dem Abgas der Brennkraftmaschine betrieben wird. In diesem Falle weist die Brennkraftmaschine folglich einen ersten Turbolader für die Ladeluftverdichtung und einen zweiten Turbolader als Teil der Abgasrückführung auf.
• BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
• Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
• 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Variante und
• 2 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Variante.
• Die Varianten in den 1 und 2 zeigen schematisch eine Brennkraftmaschine 1, der über einen Ausgleichsbehälter 23 eine Ladeluft-Abgasmischung 15 zuführbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist beispielsweise als Einzylinder-Prüfstandsmotor ausgeführt, und der Ausgleichsbehälter 23 für den Einlass dient zur Glättung einer Druckpulsation. Die Ladeluft-Abgasmischung 15 wird über eine Mischeinrichtung 12 bereitgestellt, und der Mischeinrichtung 12 wird mit einer Verdichteeinheit 22 verdichtete Ladeluft 13 und ein abgezweigter Abgasteil 14 zugeführt. In der Mischeinrichtung 12 erfolgt die Mischung des Frischgases mit dem Abgas, und eine Ladeluft-Abgasmischung 15 kann die Mischeinrichtung 12 verlassen.
• Das von der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas wird einem Ausgleichsbehälter 24 am Auslass zugeführt, welcher Ausgleichsbehälter 24 ebenfalls zur Glättung einer Druckpulsation dient. Das Abgas 10 wird aus dem Ausgleichsbehälter 24 am Auslass herausgeführt und in einer entsprechenden Leitung für das Abgas 10 weitertransportiert.
• Gemäß der ersten Variante in 1 wird das gesamte Abgas 10 über eine Turbinenseite 16b eines Turboladers 16 geführt. Anschließend verlässt das Abgas 10 die Turbinenseite 16b und gelangt an ein Abgasgegendruckventil 21, mit dem ein Abgasgegendruck in der Leitung des Abgases 10 erzeugt wird. Im Leitungsbereich des Abgases 10 nach der Turbinenseite 16b des Turboladers 16 befindet sich stromaufwärts vor dem Abgasgegendruckventil 21 eine Abzweigung 17, die über ein Steuerventil 20 in eine Rückführleitung 11 führt. In der Rückführleitung 11 befindet sich eine Abgaskühleinrichtung 18 zur Kühlung des Abgases und eine Wasserabscheideeinrichtung 19 zur Trocknung des gekühlten Abgases. Anschließend wird der abgezweigte Abgasteil 14 einer Verdichterseite 16a des Turboladers 16 zugeführt, und der verdichtete abgezweigte Abgasteil 14 wird schließlich der Mischeinrichtung 12 zugeführt.
• Die Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine 1 gemäß 2 weist eine Leitung für das Abgas 10 nach dem Ausgleichsbehälter 24 auf, welche eine erste Abzweigung 17 und eine zweite Abzweigung 25 aufweist. Die erste Abzweigung 17 bildet den Ursprung der Rückführleitung 11 und mündet zunächst in ein Steuerventil 20, auf das die Abgaskühleinrichtung 18 und schließlich die Wasserabscheideeinrichtung 19 folgen. Der abgezweigte Abgasteil 14 wird anschließend einer Verdichterseite 16a eines Turboladers 16 zugeführt, und die Rückführleitung 11 führt den verdichteten, abgezweigten Abgasteil 14 schließlich der Mischeinrichtung 12 zu.
• Zum Betrieb des Turboladers 16 dient die zweite Abzweigung 25 von der Leitung des Abgases 10, die einen Teil des Abgases 10 über ein Steuerventil 26 der Turbinenseite 16b des Turboleiters 16 zuführt. Anschließend wird der über die Turbinenseite 16b geführte Teil des Abgases 10 der Abgasleitung des Abgases 10 wieder zugeführt. Die Variante ermöglicht dabei einen Betrieb des Turboladers 16 mit nur einem Teil des Abgases 10 aus der Abgasleitung. Über das Steuerventil 26 kann der abgezweigte Abgasteil zum Betrieb des Turboladers 16 gesteuert werden.
• Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
• Bezugszeichenliste

1

Brennkraftmaschine

10

Abgas

11

Rückführleitung

12

Mischeinrichtung

13

Ladeluft

14

abgezweigter Abgasteil

15

Ladeluft-Abgasmischung

16

Turbolader

16a

Verdichterseite

16b

Turbinenseite

17

Abzweigung

18

Abgaskühleinrichtung

19

Wasserabscheideeinrichtung

20

Steuerventil

21

Abgasgegendruckventil

22

Verdichtereinheit

23

Ausgleichsbehälter Einlass

24

Ausgleichsbehälter Auslass

25

Abzweigung

26

Steuerventil

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012223808 A1 [0003]
• KR 000100580453 B1 [0004]

Claims (11)

1. Einrichtung zur Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine (1), bei der ein Teil des Abgases (10) der Brennkraftmaschine (1) über eine Rückführleitung (11) aus dem Abgas (10) abzweigbar ist, und mit einer Mischeinrichtung (12), in der eine Ladeluft (13) mit dem abgezweigten Abgasteil (14) aus der Rückführleitung (11) zur Bildung einer Ladeluft-Abgasmischung (15) mischbar ist, und wobei die Ladeluft-Abgasmischung (15) der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) ein Turbolader (16) eingerichtet ist, wobei die Rückführleitung (11) über eine Verdichterseite (16a) des Turboladers (16) geführt ist, sodass der abgezweigte Abgasanteil (14) der Mischeinrichtung (12) verdichtet zuführbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (16) vom Massenstrom des Abgases (10) der Brennkraftmaschine (1) antreibbar eingerichtet ist, indem das Abgas (10) wenigstens teilweise über eine Turbinenseite (16b) des Turboladers (16) geführt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (11) in einer Abzweigung (17) aus der Leitung des Abgases (10) entspringt, wobei zwischen der Abzweigung (17) und der Anordnung des Turboladers (16) eine Abgaskühleinrichtung (18) in der Rückführleitung (11) eingerichtet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abgaskühleinrichtung (18) und der Anordnung des Turboladers (16) eine Wasserabscheideeinrichtung (19) in der Rückführleitung (11) eingerichtet ist.
5. Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) ein Steuerventil (20) eingerichtet ist, mit dem die Größe des abgezweigten Abgasteils (14) steuerbar ist.
6. Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung des Abgases (10) ein Abgasgegendruckventil (21) eingerichtet ist, mit dem ein Gegendruck im Abgas (10) einstellbar ist.
7. Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung der Turbinenseite (16b) das gesamte Abgas (10) aus der Brennkraftmaschine (1) dem Turbolader (16) zuführbar ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigung (25) in der Leitung des Abgases (10) eingerichtet ist, über die ein Teil des Abgases (10) an die Turbinenseite (16b) des Turboladers (16) führbar ist.
9. Brennkraftmaschine (1) mit einer Einrichtung zur Abgasrückführung, bei der ein Teil des Abgases (10) der Brennkraftmaschine (1) über eine Rückführleitung (11) aus dem Abgas (10) abzweigbar ist, und mit einer Mischeinrichtung (12), in der eine Ladeluft (13) mit dem abgezweigten Abgasteil (14) aus der Rückführleitung (11) zur Bildung einer Ladeluft-Abgasmischung (15) mischbar ist, und wobei die Ladeluft-Abgasmischung (15) der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) ein Turbolader (16) eingerichtet ist, wobei die Rückführleitung (11) über eine Verdichterseite (16a) des Turboladers (16) geführt ist, sodass der abgezweigte Abgasanteil (14) der Mischeinrichtung (12) verdichtet zuführbar ist.
10. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) ein Einzylinder-Prüfstandsmotor ist.
11. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine Verdichtereinheit (22) zur Verdichtung der Ladeluft (13) aufweist.

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