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Die Erfindung betrifft einen Abgastrakt für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer Hauptabgasleitung, welche zum Ausleiten von Abgas aus wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine und zum Führen des Abgases mittels der Hauptabgasleitung in Richtung einer Turbine eines Abgasturboladers ausgebildet ist. Der Abgastrakt umfasst darüber hinaus eine in die Hauptabgasleitung mündende Abgasrückführungsstrecke, welche wenigstens einen Abgaskühler aufweist und welche dazu ausgebildet ist, beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von dem durch die Hauptabgasleitung strömenden Abgas einen Abgasteilstrom abzuzweigen und unter Kühlung des Abgasteilstroms anhand des Abgaskühlers in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine einzuleiten.
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Die Abgasrückführung stellt bei modernen Verbrennungskraftmaschinen eine effiziente Methode dar, um Stickoxidemissionen zu verringern. Bei der Abgasrückführung wird im Allgemeinen zwischen Hochdruck-Abgasrückführung (kurz: Hochdruck-AGR) und Niederdruck-Abgasrückführung (kurz: Niederdruck-AGR) unterschieden. Bei der Hochdruck-AGR wird ein Abgasteilstrom aus einer Hauptabgasleitung im Bereich zwischen einer Turbine eines Abgasturboladers und einem Abgaskrümmer entnommen und zur Kühlung des Abgasteilstroms einem Abgaskühler, welcher auch als AGR-Kühler bezeichnet werden kann, zugeführt. Bei der Niederdruck-AGR wird der Abgasteilstrom dem Abgas stromab der Turbine des Abgasturboladers entnommen, weshalb sich der Abgasteilstrom bei der Niederdruck-AGR im Allgemeinen auf einem geringeren Druckniveau befindet als bei der Hochdruck-AGR. Bei der Hochdruck-AGR steht somit ein höheres Druckgefälle zur Rückführung des Abgasteilstroms zur Verfügung als bei der Niederdruck-AGR, wodurch größere AGR-Raten erzielt werden können, als bei der Niederdruck-AGR, bei welcher große Druckänderungen beim Durchströmen des Abgasturboladers dementsprechend üblicherweise geringere AGR-Raten zulassen.
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Aus der
DE 10 2011 012 575 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgastrakt, in welchem eine erste Turbine mit einem um eine Drehachse drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbinenrad eines Abgasturboladers angeordnet ist, bekannt. Dabei ist eine Umgehungseinrichtung vorgesehen, welche zumindest einen Umgehungskanal aufweist, über welchen das Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist, wobei der Umgehungseinrichtung eine zweite Turbine zugeordnet ist, welche von das Turbinenrad über die Umgehungseinrichtung umgehendem Abgas antreibbar ist. Zudem ist ein von der zweiten Turbine antreibbarer Generator vorgesehen, mittels welchem mechanische in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der ersten und der zweiten Turbine jeweils zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welchen ein jeweiliger engster Strömungsquerschnitt der ersten und der zweiten Turbine einstellbar ist.
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Die
US 2007/0193270 A1 beschreibt ein Abgasrückführungssystem, welches eine Leistungsquelle mit mindestens einem Zylinder, der Abgas ausgibt, und eine Partikelverringerungsvorrichtung aufweist, die fluidleitend mit mindestens einem Abgaskanal der Leistungsquelle verbunden ist. Die Partikelverringerungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, eine Partikelmenge im Abgas zu reduzieren. Das Abgasrückführungssystem umfasst darüber hinaus einen Rezirkulationskompressor, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil des Abgases aufzunehmen und zu komprimieren. Ein Einlasskanal des mindestens einen Zylinders der Leistungsquelle ist fluidleitend mit dem Rezirkulationskompressor verbunden, um das komprimierte Abgas mit reduziertem Partikelanteil aufzunehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgastrakt für eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Verluste von im Abgas enthaltener Enthalpie an eine Umgebung des Abgastraktes verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgastrakt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von einem Abgastrakt für eine Verbrennungskraftmaschine. Der Abgastrakt umfasst eine Hauptabgasleitung, welche zum Ausleiten von Abgas aus wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine und zum Führen des Abgases mittels der Hauptabgasleitung in Richtung einer Turbine eines Abgasturboladers ausgebildet ist. Der Abgastrakt umfasst des Weiteren eine in die Hauptabgasleitung mündende Abgasrückführungsstrecke, welche wenigstens einen Abgaskühler aufweist. Die Abgasrückführungsstrecke ist dazu ausgebildet, beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von dem durch die Hauptabgasleitung strömenden Abgas einen Abgasteilstrom abzuzweigen und unter Kühlung des Abgasteilstroms anhand des Abgaskühlers in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine einzuleiten. Die Hauptabgasleitung kann einen Abgaskrümmer und wenigstens ein mit dem Abgaskrümmer verbundenes Leitungselement umfassen. Der Abgasturbolader kann dem Abgastrakt oder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sein. Die Abgasrückführungsstrecke kann auch als AGR-Strecke bezeichnet werden. Der wenigstens eine Abgaskühler kann auch als AGR-Kühler bezeichnet werden.
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Um beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Verluste von im Abgas enthaltener Enthalpie an eine Umgebung des Abgastraktes zu verringern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abgasrückführungsstrecke zumindest eine Nutzturbine umfasst, welche mittels zumindest einer Abgasrückführungsleitung der Abgasrückführungsstrecke mit der Hauptabgasleitung gekoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da durch eine derartige Anordnung der Nutzturbine eine verbesserte Nutzung dem im Abgas enthaltenen Enthalpie, nachfolgend auch Abgasenthalpie genannt, ermöglicht ist, wobei mittels der Nutzturbine beispielsweise ein elektrischer Generator angetrieben werden kann, um aus der Abgasenthalpie elektrische Energie zu gewinnen. Alternativ dazu kann anhand der Nutzturbine auch ein mechanisches Antreiben einer Welle erfolgen, um beispielsweise ein Nebenaggregat oder mehrere Nebenaggregate anhand der Nutzturbine anzutreiben. Ein weiterer Vorteil der Nutzturbine der Abgasrückführungsstrecke besteht darin, dass anhand der Nutzturbine eine Temperaturabsenkung des Abgasteilstroms erfolgen kann, wodurch die Nutzturbine zusammen mit dem wenigstens einen Abgaskühler zur Kühlung des Abgasteilstroms beiträgt. Der gemeinsame Einsatz der Nutzturbine und des Abgaskühlers ermöglicht es, den Abgaskühler (AGR-Kühler) mit verringerter Kühlleistung vorzusehen, sodass ein Druckverlust des über die Nutzturbine strömenden Abgasteilstroms zumindest teilweise durch den kleiner dimensionierten AGR-Kühler (Abgaskühler) ausgeglichen werden kann, um jeweilige, geforderte AGR-Raten über die Abgasrückführungsstrecke rückführen zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abgasrückführungsstrecke als Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da bei der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke eine besonders große Abgasenthalpie zum Antreiben der Nutzturbine zur Verfügung steht und zudem bei der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke besonders große AGR-Raten erzielbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Nutzturbine stromauf des zumindest einen Abgaskühlers angeordnet und mit diesem abgasleitend gekoppelt. Dies ist von Vorteil, da die stromauf des Abgaskühlers angeordnete Nutzturbine eine Temperaturabsenkung des Abgasteilstroms bewirken kann, wodurch der Abgasteilstrom mit entsprechend geringerer Abgastemperatur in den Abgaskühler eintreten kann. Dadurch kann der Abgaskühler kleiner dimensioniert und auf eine besonders geringe Kühlleistung ausgelegt werden, wodurch im Vergleich zu einem größeren Abgaskühler geringere Druckverluste beim Durchströmen mit dem Abgasteilstrom auftreten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Abgasrückführungsstrecke zum Einstellen einer Abgasmenge des Abgasteilstroms zumindest ein Abgasrückführungsventil, welches stromauf des Abgaskühlers und stromab der Nutzturbine angeordnet ist. Dies ist von Vorteil, da durch eine derartige Anordnung des Abgasrückführungsventils, welches auch als AGR-Regelventil bezeichnet werden kann, zum einen eine geringere Temperaturbelastung des Abgasrückführungsventils aufgrund geringerer Temperaturbelastung stromab der Nutzturbine erreicht werden kann. Zum anderen neigt das Abgasrückführungsventil aufgrund dessen Anordnung stromauf des Abgaskühlers in geringerem Maße zu einer Verschmutzung durch kondensierte Kohlenwasserstoffe und Rußpartikel, als bei dessen Anordnung stromab des Abgaskühlers.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Nutzturbine als Axialturbine oder als Radialturbine ausgebildet, wodurch eine besonders hohe Flexibilität bei der Ausgestaltung der Nutzturbine besteht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgastrakt.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 100, welche einen Ansaugtrakt 70 und einen Abgastrakt 10 umfasst.
Die Verbrennungskraftmaschine 100 dient vorliegend zum Antreiben eines hier nicht weiter dargestellten Kraftwagens.
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Über den Ansaugtrakt 70 kann Frischluft 72 angesaugt und über einen Verdichter 34 eines Abgasturboladers 30 verdichtet, also auf ein erhöhtes Druckniveau verdichtet werden. Die verdichtete Frischluft 72 kann mittels eines Ladeluftkühlers 80 des Ansaugtraktes 70 zu einer Ansaugbrücke 74 des Ansaugtraktes 70 geführt werden und von der Ansaugbrücke 74 in jeweilige, hier nicht weiter gezeigte und jeweiligen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 100 zugeordnete Brennräume eingeleitet werden, um in den Brennräumen zusammen mit Kraftstoff verbrannt zu werden. Bei der Verbrennung des Gemisches aus Kraftstoff und Frischluft 72 freiwerdende Energie wird zumindest teilweise genutzt, um eine hier nicht weiter dargestellte Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 100 anzutreiben. Ein weiterer Teil dieser Energie gelangt als Wärmeinhalt des Abgases 12, also als Abgasenthalpie des Abgases 12 in den Abgastrakt 10. Der Abgastrakt 10 umfasst eine Hauptabgasleitung 20, welche einen hier nicht weiter dargestellten Krümmer aufweist. Der Krümmer ist mit den einzelnen Brennräumen abgasleitend gekoppelt. Neben dem Ausleiten des Abgases 12 aus den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 100 kann anhand der Abgasleitung 20 auch ein Führen des Abgases 12 in Richtung einer Turbine 32 des Abgasturboladers 30 erfolgen, um die Turbine 32 durch das Abgas 12 anzutreiben. Die Turbine 32 ist drehmomentübertragend mit dem Verdichter 34 gekoppelt, um letzteren anzutreiben. Das Abgas 12 strömt stromab der Turbine 32 in Richtung jeweiliger Abgasnachbehandlungssysteme (hier nicht weiter gezeigt) des Abgastraktes 10, um etwaige, in dem Abgas 12 enthaltene Schadstoffe und Partikel zu reduzieren.
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Der Abgastrakt 10 umfasst des Weiteren eine in die Hauptabgasleitung 20 mündende Abgasrückführungsstrecke 50, welche einen Abgaskühler 60 aufweist, und welche dazu ausgebildet ist, beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 von dem durch die Hauptabgasleitung 20 strömenden Abgas 12 einen Abgasteilstrom 14 abzuzweigen und unter Kühlung des Abgasteilstroms 14 anhand des Abgaskühlers 60 in den Ansaugtrakt 70 der Verbrennungskraftmaschine 100 einzuleiten.
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Die Abgasrückführungsstrecke 50 umfasst eine Nutzturbine 40, welche mittels einer Abgasrückführungsleitung 54 der Abgasrückführungsstrecke 50 mit der Hauptabgasleitung 20 gekoppelt ist. Die Nutzturbine 40 weist eine Turbinenwelle 42 auf, über welche ein Generator oder ein anderes Nebenaggregat der Verbrennungskraftmaschine 100 antreibbar ist.
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Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 kann der Abgasteilstrom 14 über die Abgasrückführungsleitung 54 aus der Hauptabgasleitung 20 abgezweigt und der Nutzturbine 40 zugeführt werden. Die Nutzturbine 40 ist stromauf des Abgaskühlers 60 angeordnet und mit diesem abgasleitend gekoppelt. Stromab der Nutzturbine 40 strömt der Abgasteilstrom 14 mit verringerter Abgasenthalpie über ein Leitungsstück 56 der Abgasrückführungsstrecke 50 zu einem Abgasrückführungsventil 52 der Abgasrückführungsstrecke 50, welches zum Einstellen einer Abgasmenge des Abgasteilstroms 14 dient und stromauf des Abgaskühlers 60 und stromab der Nutzturbine 40 angeordnet ist. Der Abgasteilstrom 14 kann über ein weiteres Leitungsstück 58 der Abgasrückführungsstrecke 50 von dem Abgasrückführungsventil 52 zu dem Abgaskühler 60 geführt werden. Der anhand des Abgaskühlers 60 (AGR-Kühler) gekühlte Abgasteilstrom 14 kann über ein zusätzliches Leitungsstück 62 der Abgasrückführungsstrecke 50 von dem Abgaskühler 60 zur Ansaugbrücke 74 geführt werden, um den gekühlten Abgasteilstrom 14 mit der Frischluft zu vermischen und den einzelnen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 100 zuzuführen.
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Die Nutzturbine 40 der Abgasrückführungsstrecke 50 des Abgastraktes 10 kann allgemein als Axialturbine oder als Radialturbine ausgebildet sein. Die Abgasrückführungsstrecke 50 kann bevorzugt, wie in der Fig. gezeigt, als Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke ausgebildet sein.
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Die Nutzturbine 40 ermöglicht eine Verringerung von Kohlendioxid-Emissionen (CO2-Emissionen) sowie eine Verringerung eines Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine 100, indem ein Teil einer Wärmeleistung des Abgasteilstroms 14 zum Antreiben der Nutzturbine 40 genutzt wird. Die Nutzturbine 40 trägt zur Kühlung des Abgasteilstroms 14 bei, sodass der Teilstrom 14 mit verringerter Abgastemperatur bzw. Abgasenthalpie in den Abgaskühler 60 eintreten kann. Durch die Nutzturbine 40 können Wärmeverluste über ein Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine 100 an die Umwelt verringert werden, da anhand der Nutzturbine 40 zumindest ein Teil der Abgasenthalpie des Abgasteilstroms 14 nutzbar gemacht und beispielsweise in elektrische Energie (durch Koppelung mit dem Generator) umgewandelt werden kann. Die Nutzturbine 40 trägt also zur Reduktion eines Wärmeeintrags in den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 100 bei. Darüber hinaus kann durch den Einsatz der Nutzturbine 40 eine Verringerung einer Abgaseintrittstemperatur des in den Abgaskühler 60 eintretenden Abgasteilstroms 14 bewirkt werden, wodurch eine geringere Versottungsneigung des Abgaskühlers 60 erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Nutzturbine 40 besteht darin, dass diese eine geringere Baugröße des Abgaskühlers 60 ermöglicht, wodurch Kosten eingespart werden können.
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Durch die vorliegend als Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke ausgestaltete Abgasrückführungsstrecke 50 können höhere AGR-Raten als bei einer Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke erzielt werden, da ein Druckabfall des Abgasteilstroms 14 über der (Hochdruck-)Nutzturbine 40 kleiner ist als über den Abgasturbolader 30, welcher einem Hauptmassenstrom des Abgases 12 ausgesetzt ist. Die zusätzliche Nutzturbine 40, welche als Axialturbine oder als Radialturbine ausgebildet sein kann, trägt in besonders wirksamer Weise zur Verringerung der Abgaseintrittstemperatur des Abgasteilstroms 14 vor dessen Eintritt in den Abgaskühler 60 bei. Durch die Nutzung der Abgasenthalpie über die zusätzliche Nutzturbine 40 kann ein verbesserter Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 100 erzielt werden, da die anhand der Nutzturbine 40 im Abgasteilstrom 14 erzeugte Energie, welche ansonsten über den Abgaskühler 60 in Wärmeverluste umgesetzt werden würde, genutzt werden kann. Aufgrund der stromauf des Abgaskühlers 60 angeordneten Nutzturbine 40 besteht ein geringer Kühlleistungsbedarf, sodass der Abgaskühler 60 dementsprechend kleiner ausgelegt werden kann. Dadurch entstehen beim Durchströmen des Abgaskühlers 60 besonders geringe Druckverluste, wodurch erhöhte AGR-Raten erzielt werden können. Durch den kleineren Abgaskühler 60 können etwaige Druckverluste, welche durch den Einsatz der Nutzturbine 40 entstehen, zumindest teilweise ausgeglichen werden. Die Abgaseintrittstemperatur am Abgaskühler 60 ist kleiner als bei konventionellen Hochdruck-Abgasrückführungsstrecken, wodurch der Abgaskühler 60 eine geringere Versottungsneigung aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgastrakt
- 12
- Abgas
- 14
- Abgasteilstrom
- 20
- Hauptabgasleitung
- 30
- Abgasturbolader
- 32
- Turbine
- 34
- Verdichter
- 40
- Nutzturbine
- 42
- Turbinenwelle
- 50
- Abgasrückführungsstrecke
- 52
- Abgasrückführungsventil
- 54
- Abgasrückführungsleitung
- 56
- Leitungsstück
- 58
- Leitungsstück
- 60
- Abgaskühler
- 62
- Leitungsstück
- 70
- Ansaugtrakt
- 72
- Frischluft
- 74
- Ansaugbrücke
- 80
- Ladeluftkühler
- 100
- Verbrennungskraftmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011012575 A1 [0003]
- US 2007/0193270 A1 [0004]
