DE102022000413A1

DE102022000413A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022000413A1
Application number: DE102022000413.5A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schroeer
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-02-03
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (18), mittels welchem die Luft in einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) zu führen ist, mit einem von Abgas aus dem Brennraum (16) durchströmbaren Abgastrakt (24), mit einem Abgasturbolader (26), welcher ein in dem Abgastrakt (24) angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad (30) und ein in dem Ansaugtrakt (18) angeordnetes und von dem Turbinenrad (30) antreibbares Verdichterrad (28) zum Verdichten der Luft aufweist, und mit einer Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung (38), welche wenigstens eine Rückführleitung (40) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des den Abgastrakt (24) durchströmenden Abgases an einer stromab des Turbinenrads (30) angeordneten Abzweigstelle (A) aus dem Abgastrakt (24) abzweigbar, zu dem Ansaugtrakt (18) rückführbar und an einer Einleitstelle (E) in den Ansaugtrakt (18) einleitbar ist, wobei in der Rückführleitung (40) wenigstens ein Ventilelement (44) angeordnet ist, welches als ein Rückschlagventil oder als ein Tesla-Ventil ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen.
Die DE 10 2018 107 436 A1 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Hochdruck-Abgasrückführung, welche ein Rückführventil zur Steuerung einer Menge eines rückzuführenden Abgases in einen Frischluftstrang aufweist. Des Weiteren offenbart die DE 10 2018 106 679 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einem Verbrennungsmotor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, sodass auf besonders einfache Weise besonders hohe Abgasrückführraten realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine auch als Verbrennungsmotor bezeichnete und beispielsweise Hubkolbenmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen und ganz insbesondere für einen Personenkraftwagen. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand eine Verbrennungskraftmaschine aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt auf, mittels welchem diesen Ansaugtrakt durchströmende Luft in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu führen ist. In einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine laufen in dem Brennraum Verbrennungsvorgänge ab. Bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang wird ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt. Hieraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Das Gemisch umfasst beispielsweise die Luft, die mittels des Ansaugtrakts in den Brennraum geführt wird, sowie einen beispielsweise flüssigen Kraftstoff. Insbesondere kann der Kraftstoff ein Ottokraftstoff sein, sodass die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als ein Ottomotor ausgebildet sein kann.
Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem einen von dem Abgas aus dem Brennraum durchströmbaren Abgastrakt auf. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst außerdem einen Abgasturbolader, welcher ein in dem Abgastrakt angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufweist. Der Abgasturbolader weist außerdem ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes Verdichterrad auf, welches von dem Turbinenrad antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichterrads kann mittels des Verdichterrads die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet werden. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem eine Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung auf, mittels welcher eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) durchgeführt werden kann. Die im Folgenden einfach auch als Abgasrückführeinrichtung bezeichnete Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung (ND-Abgasrückführeinrichtung) weist wenigstens eine auch als Abgasrückführleitung bezeichnete Rückführleitung auf, mittels welcher zumindest ein Teil des den Abgastrakt durchströmenden Abgases an einer stromab des Turbinenrads angeordneten Abzweigstelle aus dem Abgastrakt abzweigbar, zu dem Ansaugtrakt rückführbar und an einer Einleitstelle in den Ansaugtrakt einleitbar ist. Dies bedeutet, dass das an der Abzweigstelle aus dem Abgastrakt abgezweigte Abgas in die Rückführleitung einströmen und in der Folge die Rückführleitung durchströmen kann und mittels der Rückführleitung zu dem Ansaugtrakt rückgeführt und in den Ansaugtakt eingeleitet wird.
Um nun auf besonders einfache, insbesondere auch besonders gewichts- bauraum- und kostengünstige, Weise besonders hohe Abgasrückführraten (AGR-Raten), das heißt besonders große Mengen des rückzuführenden Abgases realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Rückführleitung wenigstens ein Ventilelement angeordnet ist, welches als ein Rückschlagventil oder als ein Tesla-Ventil ausgebildet ist. Unter dem Rückschlagventil ist ein Ventil zu verstehen, welches ein insbesondere relativ zu der Rückführleitung und somit beispielsweise relativ zu einem Ventilgehäuse des Ventilelements bewegbares Ventilteil aufweist, welches auch als Ventilkörper bezeichnet wird und relativ zu der Rückführleitung somit insbesondere relativ zu dem Ventilgehäuse zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere rotatorisch und/oder translatorisch, bewegbar ist. Beispielsweise kann das Ventilteil ausschließlich rotatorisch zwischen der Schließstellung in Offenstellung bewegt, das heißt verschwenkt werden. Ferner ist es denkbar, dass das Ventilteil ausschließlich translatorisch zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegt werden kann. Beispielsweise kann das Rückschlagventil als ein Flatterventil ausgebildet sein. Ferner ist es denkbar, dass das Rückschlagventil als ein Kugelventil, das heißt als ein Kugelrückschlagventil ausgebildet ist, sodass das Ventil dann beispielsweise eine auch als Ventilkugel bezeichnete Kugel ist. Insbesondere ist das Rückschlagventil ein Ventil, welches ohne sonstigen äußeren Antrieb und nur aufgrund von Druckunterschieden oder Strömungsrichtungen, wie ein Fluid, wie beispielsweise das Gas durch die Rückführleitung durchströmt, öffnet und sich selbsttätig wieder schließt. In der Schließstellung des Ventilteils ist mittels des Rückschlagventils die Rückführleitung verschlossen, das heißt fluidisch versperrt, insbesondere für eine Strömung des Abgases in eine erste Strömungsrichtung durch die Rückführleitung hindurch. In der Offenstellung geben das Ventilteil und somit das Rückschlagventil die auch als Abgasrückführleitung bezeichnete Rückführleitung frei, insbesondere für eine Strömung des Abgases in eine der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzte, zweite Strömungsrichtung durch die Rückführleitung hindurch. Beispielsweise strömt das Abgas auf seinem Weg von der Abzweigstelle zu der Einlassstelle, mitten auf seinem Weg von dem Abgastrakt hin zu dem Ansaugtrakt in die zweite Strömungsrichtung, das heißt entlang der zweiten Strömungsrichtung durch die Rückführleitung hindurch. In die oder entlang der ersten Strömungsrichtung würde das Abgas durch die Rückführleitung hindurch von der Einlassstelle in Richtung der Abzweigstelle oder zu der Abzweigstelle strömen, wobei nun jedoch beispielsweise eine solche Strömung des Abgases in die erste Strömungsrichtung durch die Rückführleitung hindurch mittels des Rückschlagventils vermieden, das heißt unterbunden werden kann. Somit wird beispielsweise das Rückschlagventil beziehungsweise das Ventilteil durch eine in die zweite Strömungsrichtung erfolgende Strömung des Abgases der Rückführleitung geöffnet, mithin aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt. Unterbleibt eine Strömung des Abgases in die zweite Strömungsrichtung oder erfolgt nur eine geringe Strömung beziehungsweise wirkt ein nur geringer Druck des Abgases in die zweite Strömungsrichtung auf das Ventilteil, so schließt sich das Rückschlagventil selbstständig, insbesondere mittels einer Federkraft, die in dem oder auf das Ventilteil wirkt. Beispielsweise ist die Federkraft durch eine insbesondere mechanische Rückstellfeder des Rückschlagventils bereitgestellt. Ferner ist es denkbar, dass das Ventilteil insbesondere dann, wenn das Rückschlagventil als ein Flatterventil ausgebildet ist, in der Offenstellung elastisch verformt ist, sodass in dem Ventilteil die Federkraft wirkt, mittels welcher das Ventilteil aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegbar ist beziehungsweise bewegt wird, wodurch das Rückschlagventil zu schließen ist beziehungsweise geschlossen wird.
Unter dem Tesla-Ventil ist ein passives Ventil ohne bewegliche mechanische Bauteile zu verstehen, welches entlang einer der Strömungsrichtungen einen ersten Strömungswiderstand und entlang der anderen Strömungsrichtung ein gegenüber dem ersten Strömungswiderstand größeren, zweiten Widerstand aufweist, insbesondere für das Abgas.
Die Erfindung ermöglicht es, Druckschwankungen des Abgases in dem auch als Abgasstrang bezeichneten Abgastrakt zu verwenden oder zu nutzen, um besonders hohe Abgasrückführungsraten zu realisieren, mithin um besonders hohe Mengen des Abgases rückzuführen. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Bei einer Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) kann sich in bestimmten Bereichen des Motorkennfelds eine zu geringe Druckdifferenz zwischen der auch als Abgasentnahmestelle bezeichnete Abzweigstelle und der auch als Einspeisestelle bezeichneten Einleitstelle ergeben, um eine hinreichend hohe Abgasrückführrate zu erreichen. Bisher wurde versucht, eine AGR-Strecke und somit beispielsweise die Rückführleitung mit einem hinreichend großen, von dem rückzuführenden Abgas durchströmbaren Querschnitt und einer guten Strömungsführung auszustatten. Dennoch ist es meist erforderlich, in dem Abgastrakt insbesondere stromab der Abzweigstelle eine Abgasklappe oder eine andere Rückstaueinrichtung zu verbauen, um in dem Abgastrakt, insbesondere an einer stromab der Abzweigstelle angeordneten Stelle, das den Abgastrakt durchströmende Abgas aufzustauen und in der Folge hohe Abgasrückführraten erzielen zu können. Große Querschnitte der AGR-Strecke führen zu einem hohen Bauraumbedarf der Abgasrückführeinrichtung und so konstruktiver und rechnerischer, aufwendiger Feinarbeit. Üblicherweise sind große AGR-Ventile erforderlich, die in ihrem Aufbau aufwendig sind und bei Betriebspunkt mit hoher Druckdifferenz nur sehr schwierig präzise geregelt werden können. Die zusätzlich, im Abgastrakt zum Einsatz kommende Abgasklappe oder Rückstaueinrichtung ist kostenintensiv und oft nur schwierig unter zu bringen und insbesondere dadurch, dass die Abgasklappe beziehungsweise die Rückstaueinrichtung dem heißen, den Abgastrakt durchströmende Abgas ausgesetzt ist, defektanfällig. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun durch die Erfindung vermieden werden. Durch die Erfindung des Ventilelements können im Abgastrakt auftreten und auch als Pulsationen bezeichnete Druckschwankungen des Abgases genutzt werden, bei niedrigen und mittleren Druckdifferenzen zwischen der Abzweigstelle und der Einleitstelle eine auch als Abgasmenge bezeichnete Menge des rückzuführenden Abgases auf einen vorteilhaft hohen Wert zu bringen, insbesondere einzustellen. Die Verwendung einer kosten- und bauraumintensiven und defektanfälligen Rückstaueinrichtung im Abgastrakt kann dadurch entfallen. Ein zum Einsatz kommenden AGR-Ventil zum Einstellen einer Menge des rückzuführenden Abgases kann im Vergleich zur herkömmlichen Lösungen kleiner und somit kostengünstiger ausgestaltet werden und in der Folge bessere Regeleigenschaften insbesondere bei hohen Druckdifferenzen zwischen der Abzweigstelle und der Einleitstelle aufweisen. Insbesondere dann, wenn das Ventilelement als das genannte Tesla-Ventil ausgebildet ist, wobei das Tesla-Ventil keine bewegten Teile aufweist, kann ein besonders einfacher und somit kosten- und bauraumgünstiger Aufbau des Ventilelements dargestellt werden. Außerdem kann dadurch eine Defektanfälligkeit insbesondere gegenüber Zungen- oder Flatterventilen reduziert werden.
Um auf besonders einfache Weise besonders hohe Abgasrückführraten realisieren zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement als Rückschlagventil ausgebildet ist, welches eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung hindurch in Richtung der Einleitstelle, mithin eine Strömung des Abgases in die zweite Strömungsrichtung zulässt, und in Richtung der Abzweigstelle unterbindet, das heißt eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung hindurch in Richtung der Abzweigstelle, das heißt in die erste Strömungsrichtung unterbindet.
Um den Bauraumbedarf und die Kosten der Abgasrückführeinrichtung besonders gering halten und gleichzeitig besonders hohe Abgasrückführraten realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement als Tesla-Ventil ausgebildet ist, welches für das in Richtung der Einleitstelle in der Abgasrückführleitung strömende, mithin in die zweite Strömungsrichtung strömende Abgas einen ersten Strömungswiderstand und für das in Richtung der Abzweigstelle in der Abgasrückführleitung strömende, mithin in die erste Strömungsrichtung strömende Abgas einen gegenüber dem ersten Strömungswiderstand, insbesondere signifikant, größeren, zweiten Strömungswiderstand aufweist. Hierdurch ist ein in Richtung der Abzweigstelle erfolgendes Rückströmen des Abgases zumindest begrenzbar, insbesondere vermeidbar. Mit anderen Worten bewirkt das Tesla-Ventil vorzugsweise für das in Richtung der Einleitstelle und somit in die zweite Strömungsrichtung durch die Rückführleitung und somit durch das Tesla-Ventil hindurchströmende Abgas einen ersten Druckverlust des Abgases. Beispielsweise bewirkt das Tesla-Ventil für das in Richtung der Abzweigstelle und somit in die erste Strömungsrichtung durch die Rückführleitung und somit durch das Tesla-Ventil hindurchströmende Abgas einen zweiten Druckverlust des Abgases, wobei der zweite Druckverlust, insbesondere signifikant, größer ist als der erste Druckverlust. Dadurch kann eine übermäßige, in Richtung der Abzweigstelle beziehungsweise in die erste Strömungsrichtung erfolgende Rückströmung des Abgases in der Rückführleitung vermieden werden.
Um das Abgas besonders vorteilhaft rückführen zu können, ist es in weitere Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abgasrückführeirichtung einen in der Rückverleitung angeordneten und auch als AGR-Kühler bezeichneten Abgasrückführkühler aufweist, mittels welchem das rückzuführende, die Rückführleitung durchströmende Abgas gekühlt werden kann.
Um dabei besonders hohe Abgasrückführrate auf besonders bauraumgünstige Weise realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement, insbesondere das Tesla-Ventil, in dem Abgasrückführkühler angeordnet ist, wodurch das Ventilelement in den Abgasrückführkühler integriert ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Ventilelement als das oder ein Tesla-Ventil ausgebildet ist, welches ein passives Ventil ist und somit keine beweglichen Bauteile zum beeinflussen des Abgases beziehungsweise dessen Strömung aufweist. Eine Platzierung des Ventilelements im Abgasrückführkühler spart Bauraum für ein gesondertes Rückschlag- oder Tesla-Ventil in der übrigen Rückverleitung ein, sodass die Rückführleitung hinsichtlich ihrer Länge besonders kurz und somit besonders bauraumgünstig ausgestaltet werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasrückführeinrichtung ein in der Rückführleitung angeordnetes und zusätzlich zu dem Ventilelement vorgesehenes Abgasrückführventil aufweist, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden Abgases einstellbar ist. Insbesondere ist das Abgasrückführventil elektrisch betreibbar, mithin elektrisch ansteuerbar. Beispielsweise kann durch elektrisches Ansteuern des Abgasrückführventils und somit unter Nutzung von elektrischer Energie ein von dem rückzuführenden Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt des Abgasrückführventils eingestellt, das heißt variiert werden, wodurch die Menge des rückzuführenden Abgases besonders bedarfsgerecht eingestellt werden kann, insbesondere auf unterschiedliche, insbesondere gegenüber Null größere Werte. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Niederdruck-Abgasrückführung dargestellt werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Abgasrückführventil in Strömungsrichtung des zu der Einleitstelle hinströmenden Abgases, mithin des in die zweite Strömungsrichtung strömenden Abgases stromab des Ventilelements angeordnet ist. Dadurch kann der Bauraumbedarf in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Abgasrückführventil in Strömungsrichtung des zu der Einleitstelle hinströmenden Abgases stromab des Abgasrückführkühlers angeordnet ist, wodurch eine besonders kompakte und kostengünstige Bauweise der Abgasrückführ dargestellt werden kann.
Schließlich hat es sich zur Realisierung besonders hohe Abgasrückführraten als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Einleitstelle in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt durchströmenden und dabei hin zu dem Brennraum strömenden Luft stromauf des Verdichterrads angeordnet ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug;
2 eine schematische Perspektivansicht eines Abgasrückführkühlers einer Abgasrückführeinrichtung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Abgasführkühlers entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 12 auf, durch das mehrere Zylinder 14 gebildet, das heißt begrenzt sind. Der jeweilige Zylinder 14 begrenzt einen jeweiligen Brennraum 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 teilweise. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 laufen in den Brennräumen 16 Verbrennungsvorgänge ab. Bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang wird ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 18 auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende, auch als Frischluft bezeichnete Luft zu den und in die Brennräume 16 geführt wird. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch umfasst die Luft, die mittels des Ansaugtrakts 18 in die Brennräume 16 geleitet wird. Außerdem umfasst das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch einen insbesondere flüssigen Kraftstoff, welcher in den jeweiligen Brennraum 16 eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, wird. In dem Ansaugtrakt 18 ist stromauf der Brennraum 16 ein Ladeluftverteiler 20 angeordnet, welcher im Folgenden noch näher erläutert wird. Außerdem ist in dem Ansaugtrakt 18 stromauf des Ladeluftverteilers 20 ein Luftfilter 22 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft gefiltert wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem einen von dem Abgas aus den Brennräumen 16 durchströmbaren Abgastrakt 24 auf, welcher auch als Abgasanlage bezeichnet wird. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgasturbolader 26 auf. Der Abgasturbolader 26 weist ein in dem Ansaugtrakt 18 insbesondere stromab des Luftfilters 22 und stromab des Ladeluftverteilers 20 angeordnetes Verdichterrad 28 auf. Des Weiteren umfasst der Abgasturbolader 26 ein Turbinenrad 30, welches in dem Abgastrakt 24 angeordnet ist. Des Weiteren weist der Abgasturbolader 26 vorliegend eine Welle 32 auf. Das Turbinenrad 30 ist von dem den Abgastrakt 24 durchströmenden Abgas antreibbar und dadurch, insbesondere relativ zu einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers 26, drehbar. Über die Welle 32 kann das Verdichterrad 28 von dem Turbinenrad 30 angetrieben und dadurch, insbesondere relativ zu einem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers 26, gedreht werden. Durch Antreiben des Verdichterrads 28 wird mittels des Verdichterrads 28 die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet. Die Ladeluft wird mittels des Ladeluftverteilers 20 auf die Brennräume 16 verteilt oder aufgeteilt.
In dem Ansaugtrakt 18 ist stromab des Verdichterrads 28 und stromauf des Ladeluftverteilers 20 ein Ladeluftkühler 34 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird, bevor sie in die Brennräume 16 einströmt. In dem Abgastrakt 24 ist in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 24 durchströmenden und weg von den Brennräumen 16 strömenden Abgase stromab des Turbinenrads 30 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 36 zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem eine Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 (ND-Abgasrückführeinrichtung) auf, mittels welcher eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) durchführbar ist beziehungsweise durchgeführt wird. Hierfür umfasst die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38, welche auch einfach als Abgasrückführeinrichtung bezeichnet wird, eine auch als AbgasRückführleitung bezeichnete Rückführleitung 40. Mittels der Rückführleitung 40 kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 24 durchströmenden Abgases an einer stromab des Turbinenrads 30 angeordneten Abzweigstelle A aus dem Abgastrakt 24 abgezweigt und in die Rückführleitung 40 eingeleitet werden. Das aus dem Abgastrakt 24 an der Abzweigstelle A abgezweigte Abgas strömt in die Rückführleitung 40 ein und strömt durch die Rückführleitung 40 hindurch und wird mittels der Rückführleitung 40 zu dem Ansaugtrakt 18 rückgeführt und an einer Einleitstelle E in den Ansaugtrakt 18 eingeleitet. Die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 weist einen auch als AGR-Kühler bezeichneten Abgasrückführkühler 42 auf, welcher in der Rückführleitung 40 angeordnet und von dem rückzuführenden Abgas durchströmbar ist. Mittels des Abgasrückführkühlers 42 wird das rückzuführende Abgas gekühlt.
Um nun auf besonders einfache, insbesondere auf besonders kosten- und bauraumgünstige, Weise besonders große Abgasrückführraten, das heißt besonders große Mengen des rückzuführenden Abgases realisieren zu können, weist die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 ein in der Rückführleitung 40 angeordnetes und bei der in 1 gezeigten, ersten Ausführungsform als ein Rückschlagventil ausgebildetes Ventilelement 44 auf. Das Rückschlagventil unterbindet eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung 40 hindurch in eine erste Strömungsrichtung, und das Rückschlagventil lässt eine Strömung des Abgases in eine der ersten Strömungsrichtung entgegengesetzte, zweite Strömungsrichtung durch die Rückführleitung 40 hindurch zu. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Abgas auf seinem Weg von der Abzweigstelle A zu der Einleitstelle E durch die Rückführleitung 40 hindurch in die zweite Strömungsrichtung strömt, mithin in die zweite Strömungsrichtung von der Abzweigstelle A zu der Einleitstelle E durch die Rückführleitung 40 hindurch leitbar ist beziehungsweise geleitet wird. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Rückschlagventil in Richtung der Einleitstelle E öffnet und in Richtung der Abzweigstelle A, insbesondere selbsttätig, sperrt. Dadurch kann das Abgas in die zweite Strömungsrichtung durch die Rückführleitung 40 hindurchströmen und somit von der Abzweigstelle A zu der Einleitstelle E strömen, jedoch verhindert das Rückschlagventil eine entgegengesetzte Strömung des Abgases von der Einleitstelle E zu der oder in Richtung der Abzweigstelle A.
Das Rückschlagventil weist ein, insbesondere translatorisch, relativ zu der Rückführleitung 40 bewegbares Ventilteil 46 auf. Das Ventilteil 46 ist relativ zu der Rückführleitung 40, insbesondere ausschließlich oder wenigstens translatorisch, zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar. Dabei ist das Ventilteil 46 beispielsweise in die zweite Strömungsrichtung aus der Schließstellung in die Offenstellung und in die erste Strömungsrichtung aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegbar, sodass das Ventilteil 46 eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung 40 von der Abzweigstelle A hin zu der Einleitstelle E zulässt, jedoch eine entgegengesetzte Strömung des Abgases von der Einleitstelle E hin zu der Abzweigstelle A verhindert. Beispielsweise ist das Ventilteil 46, insbesondere ausschließlich, durch eine in die zweite Strömungsrichtung erfolgende Strömung des Abgases durch die Rückführleitung 40 aus der Schließstellung in der Offenstellung bewegbar. In der Offenstellung ist beispielsweise eine in 1 nicht dargestelltes, insbesondere mechanische, Federelement, welches als Rückstellfeder fungiert, gespannt, wodurch das Federelement eine Federkraft bereitstellt. Mittels der Federkraft kann das Ventilteil 46 aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt und insbesondere in Schließstellung gehalten werden, sodass das Rückschlagventil durch eine in die zweite Strömungsrichtung in der Rückführleitung 40 erfolgende Strömung des Abgases zu öffnen ist, das heißt geöffnet wird, und sich selbsttätig schließt. Insbesondere ist das Ventilteil 46 mittels der oder einer in Richtung der Einleitstelle E erfolgenden Strömung des Abgases entgegen der Federkraft aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegbar.
In Strömungsrichtung des die Rückführleitung 40 durchströmenden und dabei von der Abzweigstelle A hin zu der Einleitstelle E strömendem Abgases ist bei der ersten Ausführungsform das Ventilelement 44 stromab des Abgasrückführkühlers 42 angeordnet. Dabei weist die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 ein zusätzlich zu dem Ventilelement 44 vorgesehenes Abgasrückführventil 48 auf, welches in Strömungsrichtung des der Rückführleitung 40 durchströmenden und dabei von der Abzweigstelle A hin zu der Einleitstelle E strömende Abgases stromab des Abgasrückführkühlers 42 und vorzugsweise auch stromab des Ventilelements 44 angeordnet ist. Beispielsweise weist das Abgasrückführventil 48 einen einstellbaren, das heißt veränderbaren, von dem rückzuführenden Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt auf, welcher einfach auch als Querschnitt bezeichnet wird. Durch Einstellen, das heißt durch Verändern des Strömungsquerschnitts kann die Abgasrückführrate eingestellt, das heißt variiert werden. Insbesondere ist das Abgasrückführventil 48 elektrisch ansteuerbar, das heißt elektrisch betreibbar und somit elektrisch ansteuerbar, sodass durch elektrisches Ansteuern des Abgasrückführventils 48 und somit unter Verwendung von elektrischer Energie der Strömungsquerschnitt und somit die Abgasrückführrate eingestellt werden können.
2 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht den Abgasrückführkühler 42 für eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Aus 2 ist erkennbar, dass der Abgasrückführkühler 42 mehrere, von dem rückzuführenden Abgas durchströmbare und einfach auch als Kanäle bezeichnete Kühlkanäle 50 aufweist, die beispielsweise in dem Abgasrückführkühler 42 fluidisch voneinander getrennt sind.
3 zeigt den Abgasrückführkühler 42 gemäß 2 in einer schematischen Schnittansicht entlang einer in 2 mit A-A bezeichneten Schnittlinie. Aus 3 ist erkennbar, dass in dem jeweiligen Kanal 50 ein jeweiliges Ventilelement 44 angeordnet ist, welches bei der zweiten Ausführungsform als ein Tesla-Ventil ausgebildet ist. Außerdem veranschaulichen in 3 Pfeile 52 die zweite Strömungsrichtung, wobei ein Pfeil 54 die erste Strömungsrichtung veranschaulicht. Mit anderen Worten veranschaulichen die Pfeile 52 das die Rückführleitung 42 von der Abzweigstelle A zu der Eingangsstelle E strömende Abgas, sodass der Pfeil 54 eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung 40 von der Eingangsstelle E hin zu der Abzweigstelle A veranschaulicht. Das jeweilige Tesla-Ventil weist für das in Richtung der Einleitstelle E in der Rückführleitung 40 strömende Abgas einen ersten Strömungswiderstand und für das in Richtung der Abzweigstelle A in der Rückführleitung 40 strömende Abgas einen gegenüber dem ersten Strömungswiderstand größeren, zweiten Strömungswiderstand auf. Mit anderen Worten weist das Tesla-Ventil für das das Tesla-Ventil in Richtung der Einleitstelle E durchströmende Abgas den ersten Strömungswiderstand und für das das Tesla-Ventil in Richtung der Abzweigstelle A durchströmende Abgas den zweiten Strömungswiderstand auf, welcher gegenüber dem ersten Strömungswiderstand, insbesondere signifikant, größer ist. Hierdurch wird ein in Richtung der Abzweigstelle A in dem Ventilelement 44 und somit in der Rückführleitung 40 erfolgendes Rückströmen des Abgases zumindest begrenzt. Mit anderen Worten kann durch das Ventilelement 44 ein übermäßiges, in der Rückführleitung 40 erfolgendes Rückströmen des Abgases in Richtung der Abzweigstelle A vermieden werden. Das Tesla-Ventil zeichnet sich dabei dadurch aus, dass das Tesla-Ventil ein passives Ventil ohne bewegliche Bauteile zum Beeinflussen des das Tesla-Ventil durchströmenden Abgases ist. Hierzu weist beispielsweise das Tesla-Ventil Rippen 56 auf, wobei sich die jeweilige Rippe 56 ausgehend von einem jeweiligen, den jeweiligen Kanal 50, insbesondere direkt, begrenzenden Wandungsbereich 58 des Abgasrückführkühlers 42 in den jeweiligen Kanal 50 hinerstreckt und somit in den jeweiligen Kanal 50 hineinragt. Dabei ist die Rippe 56 ausgehend von dem Wandungsbereich 58 hinein in den Kanal 50 betrachtet in die gegenüber der ersten Strömungsrichtung gewünschte oder präferierte, zweite Strömungsrichtung geneigt und verläuft somit schräg zu den Strömungsrichtungen. Die jeweilige Rippe 56 ist nicht etwa relativ zu dem Wandungsbereich 58 beweglich, sondern unbeweglich an dem Wandungsbereich 58 vorgesehen, sodass das Tesla-Ventil frei von beweglichen Bauteilen zum Beeinflussen des das Tesla-Ventil durchströmenden Abgases beziehungsweise dessen Strömung ist. Da bei der zweiten Ausführungsform das Ventilelement 44 in dem Abgasrückführkühler 42 angeordnet ist, ist das Ventilelement 44 in den Abgasrückführkühler 42 integriert, wodurch der Bauraumbedarf den Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden kann.
Bei turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen wie beispielsweise bei der insbesondere als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Niederdruck-Abgasrückführung kann in bestimmten Kennfeldbereichen eine Druckdifferenz zwischen der auch als Entnahmestelle bezeichneten Abzweigstelle A und der auch als Einspeisestelle bezeichnenden Einleitstelle E nicht ausreichen, um eine gewünscht hohe Abgasrückführrate zu erreichen, insbesondere bei eher niedrigen Drehzahlen und mittlerer Last der Verbrennungskraftmaschine 10. Mittels des in der Rückführleitung 40 der Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung 38 angeordneten Ventilelements 44 können nun auch als Abgaspulsationen oder Pulsationen bezeichnete Druckschwankungen des Abgases im Abgastrakt 24 an der Abzweigstelle A genutzt werden, um eine Hin- und Herströmung des Abgases in der Rückführleitung 40 zu vermeiden und demgegenüber sozusagen das Abgas durch die Rückführleitung 40 hindurchzupumpen, und zwar in Richtung der oder zu der Einleitstelle E. Dadurch können auf besonders einfache Weise große Strömungen oder Mengen des Abgases in Richtung der Einleitstelle E realisiert werden.
Es ist denkbar, dass in der Rückführleitung 40 mehrere Ventilelemente 44, insbesondere mehrere Tesla-Ventile, angeordnet sein können, wobei beispielsweise die Ventilelemente 44 strömungstechnisch seriell oder parallel zueinander geschaltet sind. Insbesondere die in dem Abgasrückführkühler 42 angeordneten Ventilelemente 44 sind bei der zweiten Ausführungsform strömungstechnisch parallel zueinander geschaltet, mithin parallel zueinander angeordnet. Das Tesla-Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass es ohne die Verwendung bewegter oder beweglicher eile auskommt und so besonders kosten- und bauraumgünstig sowie wenig fehleranfällig ist. Eine Beschädigung kann zumindest nahezu ausgeschlossen werden, und das Tesla-Ventil kann mit einfachen und kostengünstigen Mitteln gebildet werden. Gegebenenfalls verhindert das Tesla-Ventil das Rückströmen des Abgases in der Rückführleitung 40 nicht vollständig, sondern ein solches Rückströmen wird nur geringgehalten, mithin behindert oder begrenzt, wohingegen das Tesla-Ventil jedoch eine Strömung des Abgases in die gewünschte, zweite Strömungsrichtung und somit hin zu der Einleitstelle E nur wenig behindert. Dies reicht bereits aus, um den gewünschten Effekt zu realisieren und hohe Abgasrückführraten darzustellen. Auch wird die Strömung des Abgases bei besonders großen Abgasströmen nicht übermäßig behindert, wohl aber soweit, dass eine Regelung des Abgasrückführventils 48 besonders einfach wird. Das Abgasrückführventil 48 kann auch aufgrund der stets hinreichenden Strömung des rückzuführenden Abgases vorteilhaft klein bemessen werden.
Die Kanäle 50 eignen sich besonders vorteilhaft, um sie mit rippen- oder schaufelförmigen Versperrungen auszustatten und somit als das Ventilelement 44, insbesondere als das Tesla-Ventil auszubilden oder zu nutzen. Der ideale Kanal ist somit so gestaltet, dass die Strömung des Abgases in Richtung der Einleitstelle E einen relativ geradlinigen Verlauf vorfindet, wogegen die Versperrungen in der Gegenrichtung, mithin in der ersten Strömungsrichtung für eine starke Verwirbelung und somit Störung der Strömung des Abgases sorgen. Die Rippen bewirken außerdem eine Vergrößerung der für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Fläche und verbessern daher die Kühlwirkung des Abgasrückführkühlers.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Motorgehäuse
14: Zylinder
16: Brennraum
18: Ansaugtrakt
20: Ladeluftverteiler
22: Luftfilter
24: Abgastrakt
26: Abgasturbolader
28: Verdichterrad
30: Turbinenrad
32: Welle
34: Ladeluftkühler
36: Abgasnachbehandlungseinrichtung
38: Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung
40: Rückführleitung
42: Abgasrückführkühler
44: Ventilelement
46: Ventilteil
48: Abgasrückführventil
50: Kanal
52: Pfeil
54: Pfeil
56: Rippe
58: Wandungsbereich
A: Abzweigstelle
E: Einleitstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018107436 A1 [0002]
DE 102018106679 A1 [0002]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (18), mittels welchem die den Ansaugtrakt (18) durchströmende Luft in wenigstens einen Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) zu führen ist, mit einem von Abgas aus dem Brennraum (16) durchströmbaren Abgastrakt (24), mit einem Abgasturbolader (26), welcher ein in dem Abgastrakt (24) angeordnetes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad (30) und ein in dem Ansaugtrakt (18) angeordnetes und von dem Turbinenrad (30) antreibbares Verdichterrad (28) zum Verdichten der Luft aufweist, und mit einer Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung (38), welche wenigstens eine Rückführleitung (40) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des den Abgastrakt (24) durchströmenden Abgases an einer stromab des Turbinenrads (30) angeordneten Abzweigstelle (A) aus dem Abgastrakt (24) abzweigbar, zu dem Ansaugtrakt (18) rückführbar und an einer Einleitstelle (E) in den Ansaugtrakt (18) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (40) wenigstens ein Ventilelement (44) angeordnet ist, welches als ein Rückschlagventil oder als ein Tesla-Ventil ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Rückschlagventil ausgebildete Ventilelement (44) eine Strömung des Abgases durch die Rückführleitung (40) hindurch in Richtung der Einleitstelle (E) zulässt und in Richtung der Abzweigstelle (A) unterbindet.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Tesla-Ventil ausgebildete Ventilelement (44) für das in der Rückführleitung (40) in Richtung der Einleitstelle (E) strömende Abgas einen ersten Strömungswiderstand und für das in der Rückführleitung (40) in Richtung der Abzweigstelle (A) strömende Abgas einen gegenüber dem ersten Strömungswiderstand größeren, zweiten Strömungswiderstand aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung (38) einen in der Rückführleitung (40) angeordneten Abgasrückführkühler (42) zum Kühlen des rückzuführenden Abgases aufweist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (44) in dem Abgasrückführkühler (42) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (44) in einem von dem Abgas durchströmbaren und zum Kühlen des Abgases vorgesehenen Kühlkanal des Abgasrückführkühlers (42) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung (38) ein in der Rückführleitung (40) angeordnetes und zusätzlich zu dem Ventilelement (44) vorgesehenes Abgasrückführventil (48) aufweist, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden Abgases einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (48) in Strömungsrichtung des zu der Einleitstelle (E) hinströmenden Abgases stromab des Ventilelements (44) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 8 in dessen Rückbezug über Anspruch 7 auf einen der Ansprüche 4 bis 6 oder nach Anspruch 7 in dessen Rückbezug auf einen der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (48) in Strömungsrichtung des zu der Einleitstelle (E) hinströmenden Abgases stromab des Abgasrückführkühlers (42) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitstelle (E) in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt (18) durchströmenden und hin zu dem Brennraum (16) strömenden Luft stromauf des Verdichterrads (28) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.