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Die Erfindung betrifft eine Einlassbaugruppe für eine Niederdruck-Abgasrückführung. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Einlassbaugruppe.
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Die Abgasrückführung (AGR) wird zur Minderung von Stickoxidemissionen (NOx) verwendet, welche bei der Verbrennung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen, wie z.B. Otto- oder Dieselmotoren, entstehen. Bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen. Bei Otto-Motoren trägt die Abgasrückführung zu einer Senkung von Ladungswechselverlusten bei und reduziert damit auch den Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich. Ferner neigt ein Ottomotor durch den Einsatz von rückgeführtem Abgas weniger zum Klopfen. Andererseits erlaubt die Benutzung von AGR eine deutliche Reduktion der sogenannten Vollast-Anfettung und eröffnet somit eine zuverlässige Möglichkeit von Kraftstoffeinsparung.
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Bei einer Niederdruck-Abgasrückführung (Niederdruck-AGR) erfolgt eine Abgasentnahme in Abgasströmungsrichtung nach einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und die Einleitung vor einem Verdichter, wie z.B. einem Turboverdichter.
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Damit handelt es sich um eine kühlere und im Falle von Dieselmotoren mit nachgeschaltetem Diesel-Partikelfilter oder von Ottomotoren mit nachgeschaltetem Benzin-Partikelfilter (engl. Gasoline Particulate Filter GPF) vor allem partikelarme Abgasrückführung im Vergleich zu einer Hochdruck-Abgasrückführung (Hochdruck-AGR), weil Abgas im Vergleich in Strömungsrichtung weiter hinten im Abgasstrang entnommen wird.
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Hierdurch lassen sich zwei Nachteile der Hochdruck-Abgasrückführung beseitigen. Zum einen wird die Ansaugluft nicht durch heißes Abgas erwärmt und dadurch der Füllungsgrad vermindert, zum anderen wird der Abgasmassenstrom vor einer Turbine des Abgasturboladers (ATL) nicht reduziert, was eine Beibehaltung einer hohen Abgasenthalpie ermöglicht, so dass der Abgasturbolader besser anspricht und ein besserer Gaswechsel möglich ist. Nachteilig bei der Niederdruck-Abgasrückführung ist, dass der Verdichter durch Kondensat, das aufgrund von Taupunktsunterschreitungen des Abgases entsteht, stark beschädigt werden kann.
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Aus der
US 2009 / 0071150 A1 ist eine Einlassbaugruppe für eine Niederdruck-Abgasrückführung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einlassbaugruppe umfasst einen ersten Kanal zum Zuführen von Frischluft zu einem Verdichterrad und einen zweiten Kanal zum Zuführen von Abgas zu dem Verdichterrad, wobei ein dritter Kanal zum Mischen der beiden Stoffströme vorgesehen ist, der das Stoffstromgemisch mit Kondensattropfen auf einen Abschnitt des Verdichterrades mit geringer Umfangsgeschwindigkeit lenkt.
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Es besteht Bedarf daran, einen alternativen Weg aufzuzeigen, wie die Erosion eines Verdichterrades bei einer Niederdruck-Abgasrückführung mit geringem Aufwand reduziert werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Einlassbaugruppe für eine Niederdruck-Abgasrückführung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, mit einem ersten Kanal zum Zuführen von Frischluft zu einem Verdichterrad und einem zweiten Kanal zum Zuführen von Abgas zu dem Verdichterrad, wobei der zweite Kanal den ersten Kanal zumindest abschnittsweise mantelförmig umgibt und der erste Kanal sowie der zweite Kanal vor dem Verdichterrad enden.
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Mit anderen Worten, durch den ersten Kanal, der der innere Kanal ist, wird Frischluft zu dem Verdichterrad geführt, während durch den zweiten Kanal, der der äußere Kanal ist, Abgas zu dem Verdichterrad geführt. Somit stellt der erste Kanal einen Kernstrom bereit, während der zweite Kanal einen Mantelstrom breitstellt. Dabei enden der erste Kanal wie auch der zweite Kanal vor dem Verdichterrad, sodass eine möglichst kurze Freistrecke gegeben ist, innerhalb der sich der Abgasstrom mit dem Frischluftstrom vermischen kann. Als Freistrecke soll dabei eine Strecke verstanden werden, auf der Frischluftstrom und der Abgasstrom frei strömen, d.h. ohne dass eine zwischen den beiden Strömen liegenden Wand eine Vermischung der Ströme verhindert. So wird vermieden, dass kondensiertes Wasser, welches durch das Zusammentreffen des gasförmigen Wassers im Abgasstrom mit kalter Frischluft entsteht, Wassertropfen bildet, die beim Auftreffen auf das Verdichterrad dieses beschädigen. Mit Hilfe der möglichst kurzen Freistrecke wird die Vereinigung kleiner Wassertröpfchen im Kondensat zu größeren Wassertropfen wirksam unterbunden, da aufgrund der kurzen Freistrecke die Zeit, die den kleinen Wassertröpfchen bis zum Auftreffen auf das Verdichterrad zum Vereinigen zur Verfügung steht, minimiert wird. Das Unterbinden der Vereinigung kleiner Wassertröpfchen zu größeren Wassertropfen verhindert dabei, dass innerhalb der Freistrecke Wassertropfen mit einer Größe und damit einer Masse entstehen, die eine kritische Masse, bei deren Erreichen oder Überschreiten Wassertropfen beim Auftreffen auf das Verdichterrad zu Beschädigungen desselben führen können, übersteigt. Die kleinen Wassertröpfchen mit einer Masse unterhalb der kritischen Masse sind dagegen im Hinblick auf eine Schädigung des Verdichterrades vernachlässigbar. Mit anderen Worten, der erste Kanal und der zweite Kanal enden vorzugsweise in einem derart geringen Abstand vor dem Verdichterrad, dass für Wassertröpfchen, welche durch das Zusammentreffen gasförmigen Wassers im Abgasstrom mit der Frischluft kondensieren, bis zum Auftreffen auf das Verdichterrad keine Zeit bleibt, sich zu Wassertropfen mit einer zum Beschädigen des Verdichterrades geeigneten kritischen Masse zu vereinigen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Kanal durch eine abschnittsweise doppelwandige Ausbildung eines Gehäuses der Einlassbaugruppe gebildet. Somit weist das Gehäuse zumindest abschnittsweise eine Außenwand und eine Innenwand auf, wobei die Innenwand den ersten Kanal vom zweiten Kanal trennt. Der erste Kanal kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, während der zweite Kanal einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Somit sind der erste Kanal und der zweite Kanal konzentrisch zueinander ausgebildet. So kann die Einlassbaugruppe einen besonders einfachen Aufbau aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform enden der erste Kanal und der zweite Kanal mit einem fertigungstechnisch bedingten Mindestabstand vor dem Verdichterrad. Mit anderen Worten, der erste Kanal und der zweite Kanal sind so nah wie möglich an das Verdichterrad herangeführt, wobei der fertigungstechnisch bedingte Mindestabstand einen einwandfreien Betrieb gewährleistet innerhalb der üblichen Fertigungstoleranzen. Es kann die Einlassbaugruppe als im Wesentlichen ohne vorhandene Freistrecke angesehen werden. So kann die Trennung des Frischluftstromes und des Abgasstromes voneinander nochmals verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist im zweiten Kanal zumindest ein Strömungsleitelement angeordnet, das die Abgasströmung eine vorbestimmte Strömungskomponente vermittelt. Das Strömungsleitelement kann eine Leitrippe oder -fläche sein. Mit Hilfe des zumindest einen Strömungsleitelementes kann in der Abgasströmung insbesondere eine tangential zur Umfangsrichtung des Verdichterrades verlaufende und in Drehrichtung des Verdichterrades gerichtete Strömungskomponente erzeugt werden, durch die sich die Relativgeschwindigkeit etwaiger kondensierter Wassertröpfchen zum Verdichterrad und damit ihre Auftreffgeschwindigkeit auf das Verdichterrad verringert, was zur Minderung von Schädigungswirkung auftreffender Wassertropfen beiträgt. So kann selbst dann, wenn trotz der kurzen Freistrecke eine geringe Anzahl an Wassertropfen die kritische Masse erreichen oder überschreiten sollte die Erosionswirkung dieser Wassertropfen vermindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Strömungsleitelement an einer Trennwand zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal angeordnet. Die Trennwand ist ein Teil des Gehäuses der Einlassbaugruppe. So kann die Einlassbaugruppe einen besonders einfachen Aufbau aufweisen. Alternativ kann das Strömungsleitelement auch an der der Trennwand gegenüberliegenden Wand des zweiten Kanals, d.h. der Innenseite einer Außenwandung eines Gehäuses, angeordnet sein. Als weitere Alternative kann das Strömungsleitelement einstückig mit der der Trennwand und der der Trennwand gegenüberliegenden Wand des zweiten Kanals ausgebildet sein. Wenn mehrere Strömungsleitelemente vorhanden sind, können diese in Umfangsrichtung gleichmäßig oder ungleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einlassbaugruppe einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet. Durch die einstückige Ausbildung weist die Einlassbaugruppe keine Verbindungsnähte oder -elemente auf. Somit weist die Einlassbaugruppe einen besonders stabilen Aufbau auf. Durch die materialeinheitliche Ausbildung bilden sich im Betrieb keine temperaturbedingten mechanischen Spannungen, die sonst durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Materialien entstehen könnten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einlassbaugruppe eine mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellte Einlassbaugruppe. So können besonders einfach Einlassbaugruppen mit komplexen Geometrien realisiert werden. Unter generativen Fertigungsverfahren - auch additive Fertigung (englisch: Additive Manufacturing) werden Fertigungsverfahren verstanden, bei denen die Fertigung direkt auf der Basis von rechnerinternen Datenmodelle (Übergabe meist über die STL-Schnittstelle) aus formlosem (Flüssigkeiten, Gelen/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, drahtförmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt. Hierzu sind keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes wiedergegeben, wie z.B. Gussformen. Zu den generativen Fertigungsverfahren zählen z.B. das Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren, Flüssigmaterialverfahren und andere Schichtbauverfahren, die teilweise dem 3D-Druck ähneln. Zu unterscheiden sind die Verfahren auch nach dem verarbeiteten Material - d.h. Kunststoff, Metall oder Keramik. Es kann ferner eine Fertigung aus dem flüssiges Material (z. B. Stereolithografie), ein plastisches Material (z. B. Fused Deposition Modeling, 3D-Druck) oder eine körniges oder pulverförmiges Material verwendet werden. Zu den Pulverbettverfahren zählen selektives Laserschmelzen (SLM), elektives Lasersintern (SLS), Selective Heat Sintering (SHS), Binder Jetting (Verfestigen von Pulvermaterial mittels Binder) und Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting - EBM). Zu den Freiraumverfahren zählen Fused Deposition Modeling (FDM oder auch Fused Filament Fabrication - FFF), Auftragschweißen bzw. Cladding, Rührreibschweißen, Wax Deposition Modeling (WDM), Contour Crafting, Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA), Kaltgasspritzen und Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Welding - EBW). Zu den Flüssigmaterialverfahren zählen Stereolithografie (SLA) + Mikro-SLA, Verfahren, welche Digital Light Processing (DLP) zur Belichtung nutzen und Liquid Composite Moulding (LCM). Weitere Schichtbauverfahren sind Laminated Object Modelling (LOM), 3D-Siebdruck von Metallen und lichtgesteuerte elektrophoretische Abscheidung.
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Ferner gehört zur Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Einlassbaugruppe.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung.
- 2 eine Einlassbaugruppe für die in 1 gezeigte Niederdruck-Abgasrückführung in schematischer Schnittdarstellung.
- 3 in schematischer Darstellung ein Verdichterrad.
- 4 die in 2 gezeigte Einlassbaugruppe in einer weiteren Ansicht.
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Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen.
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Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 2 mit einer Brennkraftmaschine 4 als Traktionsmotor. Das Kraftfahrzeug 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als PKW ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein turboaufgeladener Dieselmotor, wobei von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 4 eine Turbine 8 eines Turbolader 6 angetrieben wird, die wiederum einen Verdichter 10 des Turboladers 6 antreibt. Die Brennkraftmaschine 4 kann auch ein turboaufgeladener Ottomotor sein.
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Die Brennkraftmaschine 4 ist zur Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildet. Hierzu wird nach einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 zur Abgasnachbehandlung ein Teil des Abgases A und vor dem Verdichter 10 mit Frischluft F vermischt, bevor dann das Frischluft-/Abgas-Gemisch der Brennkraftmaschine 4 zugeführt wird.
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Es wird nun zusätzlich auf 2 und 3 Bezug genommen.
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Der Verdichter 10 weist ein Verdichterrad 26 (siehe 3) auf, das in einer Einlassbaugruppe 14 aufgenommen ist.
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Die Einlassbaugruppe 14 ist dazu ausgebildet, dem Verdichterrad 26 Frischluft F und Abgas A im Rahmen der Niederdruck-Abgasrückführung zuzuführen.
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Die Einlassbaugruppe 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel materialeinheitlich und einstückig ausgebildet. Z.B. wurde die Einlassbaugruppe mittels generativer Fertigungstechniken, wie z.B. 3D-Druck gefertigt. Unter 3D-Druck werden dabei Verfahren verstanden, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so ein dreidimensionales Objekt - die Einlassbaugruppe 14 - erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.
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Die Einlassbaugruppe 14 weist ein Gehäuse 16 auf, in dem in einem ersten Abschnitt I das Verdichterrad 26 aufgenommen ist. In dem ersten Abschnitt I ist das Gehäuse 16 einwandig ausgebildet.
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In einem zweiten Abschnitt II, der in Strömungsrichtung S der Frischluft F und des Abgases A dem ersten Abschnitt I vorgelagert ist, ist das Gehäuse 16 hingegen doppelwandig ausgebildet. Es ist also eine Trennwand 18 im Inneren des Gehäuses 16, die einen ersten, inneren Kanal 20, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Querschnitt, von einem zweiten, äußeren Kanal 22, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit ringförmigen Querschnitt, trennt. Mit anderen Worten der zweite Kanal 22 umgibt den ersten Kanal 20 zumindest abschnittsweise mantelförmig.
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Dabei ist vorgesehen, dass durch den ersten Kanal 20 Frischluft F dem Verdichterrad 26 zugeführt wird, während durch den zweiten Kanal 22 Abgas A im Rahmen der Niederdruck-Abgasrückführung dem Verdichterrad 26 zugeführt wird. Es wird also im Betrieb die Mitte des Verdichterrades 26 mit Frischluft F aus dem ersten Kanal 20 beaufschlagt, während der Rand des Verdichterrades 26 mit Abgas A aus dem zweiten Kanal 22 beaufschlagt wird.
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Der erste Kanal 20 und der zweite Kanal 22 erstrecken sich dabei im Wesentlichen in Strömungsrichtung S und enden jeweils mit einem fertigungstechnisch bedingten Mindestabstand A beabstandet vor dem Verdichterrad 26.
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So ist keine Freistrecke gegeben, innerhalb der sich der Abgasstrom mit dem Frischluftstrom vermischen kann. So ist ausgeschlossen, dass das gasförmige Wasser im Abgasstrom durch das Zusammentreffen mit kalter Frischluft F kondensiert und Wassertropfen bildet, die beim Auftreffen auf das Verdichterrad 26 dieses beschädigen.
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Es wird nun zusätzlich auf 4 Bezug genommen.
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Um das Abgas auf das Verdichterrad 26 zu lenken ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im zweiten Kanal 22 zumindest ein Strömungsleitelement 24 angeordnet. Es kann natürlich auch eine Mehrzahl von Strömungsleitelementen 24 vorgesehen sein, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet auf der Trennwand 18 angeordnet sind. Das Strömungsleitelement 24 bzw. die Mehrzahl an Strömungsleitelementen 24 sind dabei an der Trennwand 18 zwischen dem ersten Kanal 20 und dem zweiten Kanal 22 angeordnet. Das Strömungsleitelement 24 bzw. die Mehrzahl an Strömungsleitelementen 24 und die Trennwand 18 können ebenfalls einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet sein. Statt an der Trennwand 18 können die Strömungselemente 24 auch an der der Trennwand 18 gegenüberliegenden Wand 19 des zweiten Kanals 22, also an der Innenseite der Außenwandung des Gehäuses 16, angeordnet sein. Dabei können sie einstückig und/oder materialeinheitlich mit der Außenwandung des Gehäuses 16 ausgebildet sein. Als weitere Alternative können die Strömungselemente 24 einstückig und/oder materialeinheitlich sowohl mit der Trennwand 18 als auch mit der der Trennwand 18 gegenüberliegenden Wand 19 des zweiten Kanals 22 ausgebildet sein.
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Obwohl die Strömungsleitelemente 24 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet angeordnet sind, können sie auch in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sein. Letzteres kann zur Vermeidung von verdichterdrehzahlabhängigen Resonanzen vorteilhaft sein.
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Das Strömungsleitelement 24 bzw. die Mehrzahl an Strömungsleitelementen 24 können als Leitrippen oder -fläche ausgebildet sein. Dabei ist das Strömungsleitelement 24 bzw. sind die Mehrzahl an Strömungsleitelementen 24 gekrümmt ausgebildet, derart, dass sie von der Strömungsrichtung S abweichen und somit eine Umlenkung des Abgases hin zu dem Verdichterrad 26 bewirken.
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Mit Hilfe der Strömungsleitelemente 24 wird in der Abgasströmung eine tangential zur Umfangsrichtung des Verdichterrades 26 verlaufende und in Drehrichtung D des Verdichterrades 26 gerichtete Strömungskomponente erzeugt. Aufgrund der Gleichheit der Richtung dieser Strömungskomponente und der Drehrichtung des Verdichterrades 26 wird die Relativgeschwindigkeit etwaiger kondensierter Wassertröpfchen bezogen auf das Verdichterrad 26 und damit die Auftreffgeschwindigkeit der Wassertröpfchen auf das Verdichterrad 26 verringert.
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Das Strömungsleitelement 24 bzw. die Mehrzahl an Strömungsleitelementen 24 tragen zudem dazu bei, den Druckabfall zu reduzieren, wenn Abgas A mit einer Strömungskomponente in Drehrichtung D des Verdichterrades 26 zu dem Verdichterrad 26 geleitet wird.
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Die Einlassbaugruppe 14 für eine Niederdruck-Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine 4 stellt somit vollständig getrennte Strömungswege für sowohl (kalte) Frischluft F als auch für (warmes) feuchtes Abgas A bereit, so dass eine freie Stromkondensation unterbunden ist.
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Wandkondensation tritt nur in einem begrenzten Bereich des Abgas-Durchgangs auf, und nur für kurze Zeit, da sich die dünne Trennwand sehr schnell erwärmt. Der zweite Kanal 22, der auch als Niederdruck-EGR-Kühler-Bypass angesehen werden kann, unterstützt ein schnelles Aufwärmen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Brennkraftmaschine
- 6
- Turbolader
- 8
- Turbine
- 10
- Verdichter
- 12
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 14
- Einlassbaugruppe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Trennwand
- 19
- gegenüberliegende Wand
- 20
- erster Kanal
- 22
- zweiter Kanal
- 24
- Strömungsleitelement
- 26
- Verdichterrad
- A
- Abgas
- D
- Drehrichtung
- F
- Frischluft
- M
- Mindestabstand
- I
- erster Abschnitt
- II
- zweiter Abschnitt
- S
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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