DE112006000420B4

DE112006000420B4 - Ladedruckwastegateeinrichtung zur Abgasrückführungsunterstützung

Info

Publication number: DE112006000420B4
Application number: DE112006000420.4T
Authority: DE
Inventors: Richard J. Gustafson; John M. Mulloy; Thomas McKinley
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: CN101137827A; WO2006091806A2; DE112006000420T5; GB2436772B; GB2436772A; WO2006091806A3; GB2436772B8; GB0714168D0; US20060185363A1; GB2436772A8; CN101137827B; US7254948B2

Abstract

Vorrichtung (20) zur Abgasrückführungsunterstützung in einem Dieselmotor, mit:- einer Lufteinlassleitung (22) mit einem Einlass (38) und einem Auslass (40),- einem Verbrennungsmotor (24) mit einem Einlasskrümmer (42) und einem Auslasskrümmer (44), wobei der Einlasskrümmer (42) betriebsfähig mit dem Auslass (40) der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor (24) den Auslasskrümmer (44) verlassendes Abgas erzeugt,- einer Abgasleitung (26) mit einem Einlass (46) und einem Auslass (48), wobei der Abgasleitungseinlass (46) betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist,- einer Abgasrückführungsleitung (30) mit einem Einlass (70) und einem Auslass (72), wobei der Einlass der Abgasrückführungsleitung (30) betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist und der Auslass betriebsfähig mit dem Einlasskrümmer (42) verbunden ist,- einem Turbolader (28) mit einem Kompressor (56) und einer Turbine (58), wobei der Kompressor (56) betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) und die Turbine (58) betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) verbunden ist,- einer ersten Wastegateeinrichtung (106), die betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) gekoppelt ist, um Abgas selektiv zu erlauben, die Turbine (58) zu umgehen, und- einer zweiten Wastegateeinrichtung (32), die betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, wobei die Kombination aus erster Wastegateeinrichtung (106) und zweiter Wastegateeinrichtung (32) dazu betriebsfähig ist, den Pumpgrenzabstand des Kompressors (56) zu vergrößern und eine Spitzendrehmomentabgabe und einen Wirkungsgrad der Turbine (58) durch Ändern der Abgasdurchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung (30) zu vergrößern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum Steuern einer Abgasrückführung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, das Verwenden einer einlassseitigen Druckänderungsvorrichtung zur Durchflusssteuerung in einer Abgasrückführungsleitung.
Hintergrund
Die Abgasrückführung ist ein in vielen der heutzutage betriebenen Motoren eingesetztes Verfahren. Eine Abgasrückführung verringert die Menge der durch das Abgas freigesetzten Schadstoffe durch Reduzieren der Sauerstoffkonzentration im Einlasskrümmer und vermindert dadurch nachteilige chemische Reaktionen während des Verbrennungsvorgangs, die Schadstoffe erzeugen. Eine Abgasrückführungsleitung hat üblicherweise einen mit dem Auslasskrümmer eines Verbrennungsmotors verbundenen Einlass und einen mit dem Einlasskrümmer verbundenen Auslass. Es werden verschiedene Verfahren eingesetzt, um die Durchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung zu steuern. Beispielsweise kann ein Steuerventil zum Steuern, wie viel Mengenstrom sich durch die Leitung bewegt, in der Leitung angeordnet sein. Darüber hinaus wird zumeist ein Kühler verwendet, um die Luft rückzukühlen, bevor sie zur Verbrennung zurück in den Einlasskrümmer geleitet wird.
Ein übliches Verfahren zum Steuern der Durchflussmenge an Abgas durch die Abgasrückführungsleitung besteht darin, eine Abgasdrossel zu verwenden, um einen Gegendruck zum Treiben des Abgases durch die Abgasrückführungsleitung zu erzeugen. Ein Problem bei diesem Verfahren ist, dass eine Abgasdrossel teuer ist. Ferner kann ein Turbolader mit variabler Geometrie dazu verwendet werden, einen Abgasstrom durch die Abgasrückführungsleitung zu treiben. Diese Option ist ebenfalls teurer gegenüber Turboladern mit fester Geometrie oder mit einem Abblasventil (engl.: wastegate).
In dem Dokument DE 101 56 741 A1 ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, die mehrere mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem verbundene Zylinder aufweist. Ein Abgaskrümmer des Auslasssystems ist über eine Abgasrückführungsleitung eines Abgasrückführsystems mit einem Einlasssammler des Einlasssystems verbunden. Der Durchfluss durch die Abgasrückführungsleitung ist über ein Abgassteuerorgan einstellbar. Eine Ladeluftleitung des Einlasssystems ist über eine Umblaseleitung mit dem Auslasssystem verbunden, wobei der Durchfluss durch die Umblaseleitung mittels eines Durchflusssteuerorgans gesteuert wird. Bei über das Abgassteuerorgan aktiviertem Abgasrückführsystem wird auch über das Durchflusssteuerorgan eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlasssystem und dem Auslasssystem durch die Umblaseleitung hergestellt.
Aus dem Dokument DE 42 40 239 C2 ist ein Motor mit einem Abgasturbolader bekannt, bei dem wahlweise Ladeluft oder rückgeführte Abgase durch denselben Kühler hindurchgeführt und dadurch gekühlt werden. Über eine Bypass-Leitung kann ein Verdichter eines Turboladers aufgrund seines Gegendrucks von Luft umgangen werden. Während des Volllastbetriebs ist ein Ventil in der Bypass-Leitung geschlossen, aus dem Motor strömendes Abgas strömt über die Turbine des Turboladers in eine Abgasleitung und der von der Turbine angetriebene Verdichter sorgt für eine Aufladung der angesaugten Luft. Im Teillastbetrieb wird der Turbolader stillgelegt und das von der Abgasleitung in die Abgasleitung strömende Abgas treibt nicht den Turbolader an, sondern wird durch einen Bypass-Kanal um die Turbine des Turboladers herum geführt. Dabei strömt Luft unter Umgehung des Verdichters über das Ventil durch die Bypass-Leitung.
Das Dokument DE 103 17 959 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor, dessen Ansaugleitung sich an einer Verzweigungsstelle in einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg aufteilt, wobei der zweite Strömungsweg über einen Verdichter führt, der durch eine Abgasturbine antreibbar ist und mit dieser einen Abgasturbolader bildet. Die Druckseite des Verdichters ist über einen ein regelbares Absperrorgan enthaltenden Bypass mit einem Leitungsabschnitt und über diesen mit der Saugseite des Verdichters verbunden. Wird der Motorsteuerung angezeigt, dass Bedarf an voller Motorleistung besteht, werden das Absperrorgan im Bypass und ein im Strömungsweg angeordnetes Sperrorgan geschlossen.
Das Dokument DE 198 57 234 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der in der Abgasleitung eine Abblase- oder Umblaseeinrichtung angeordnet ist, um einen Abgasaustausch zwischen Kanälen zweier Fluten und/oder eine Abblasung durchzuführen.
Kostengünstigere Lösungen zur Abgasrückführung (AGR) werden gewünscht.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführungsunterstützung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasrückführungssystem gemäß Anspruch 6, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und ein Abgasrückführungssystem gemäß Anspruch 10.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Lufteinlassleitung mit einem Einlass und einem Auslass, eine betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung verbundene Wastegateeinrichtung, einen Verbrennungsmotor mit einem Einlasskrümmer und einem Auslasskrümmer, wobei der Einlasskrümmer betriebsfähig mit dem Auslass der Lufteinlassleitung verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor den Auslasskrümmer verlassendes Abgas erzeugt, eine Abgasleitung mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Abgasleitungseinlass betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer verbunden ist, und eine Abgasrückführungsleitung mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass der Abgasrückführungsleitung betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer verbunden ist und der Auslass betriebsfähig mit dem Einlasskrümmer verbunden ist, und wobei ein Betrieb der Vorrichtung die Durchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung ändert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der Abgasrückführungsmenge. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ansaugens von Luft in einen Verbrennungsmotor durch eine Einlassleitung, des Verbrennens der Luft in dem Verbrennungsmotor, des Erzeugens von Motorabgas, des Rückführens wenigstens eines Teils des Motorabgases in die Einlassleitung durch eine Abgasrückführungsleitung, und des Abblasens zumindest eines Teils der in die Einlassleitung gesaugten Luft, wobei das Abblasen die Durchflussmenge des rückgeführten Motorabgases ändert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Einlassleitung mit einem Einlass und einem Auslass, ein betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung verbundenes, steuerbares Wastegateventil (Abblasventil), einen Verbrennungsmotor mit einem Einlasskrümmer und einem Auslasskrümmer, wobei der Einlasskrümmer betriebsfähig mit dem Auslass der Lufteinlassleitung verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor den Auslasskrümmer verlassendes Abgas erzeugt, eine Abgasleitung mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Abgasleitungseinlass betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer verbunden ist, einen betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung und der Abgasleitung verbundenen Turbolader, einen betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung verbundenen Ladeluftkühler, wobei der Ladeluftkühler vom Turbolader komprimierte Luft kühlt, ein zweites betriebsfähig mit der Abgasleitung verbundenes Wastegateventil (Abblasventil), wobei das zweite Wastegateventil es Abgas ermöglicht, den Turbolader zu umgehen, eine Abgasrückführungsleitung mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass der Abgasrückführungsleitung betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer verbunden ist und der Auslass betriebsfähig mit dem Einlasskrümmer verbunden ist, und wobei ein Betrieb des steuerbaren Wastegateventils die Durchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung ändert, und einen Abgasrückführungskühler, der betriebsfähig mit der Abgasrückführungsleitung verbunden ist.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Zeichnung einer alternativen Ausführungsform.
3 zeigt ein Diagramm, welches die Düsenfläche des Wastegateventils über dem Kraftstoffdurchsatz darstellt.
4 zeigt ein Diagramm, das den Turbinenwirkungsgrad über der Düsenfläche darstellt.
5 zeigt ein Kompressorkennfeld.

Genaue Beschreibung der ausgewählten Ausführungsbeispiele
Aus Gründen der Verbesserung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele und es werden spezielle Ausdrücke zum Beschreiben derselben verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Jegliche Änderungen, Abwandlungen und weitere Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wie dargestellt sind ins Auge gefasst, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Wastegateeinrichtung, wie etwa ein Abblasventil (engl.: wastegate), zum Ändern des Drucks in einem Verbrennungsmotor, um die Durchflussmenge des Abgases durch eine Abgasrückführungsleitung zu verändern. Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Erfindung eine Einlassleitung, die mit einem Einlasskrümmer eines Verbrennungsmotors verbunden ist, und eine Abgasleitung, die mit einem Auslasskrümmer eines Verbrennungsmotors verbunden ist. Ein Turbolader ist mit der Einlassleitung verbunden, um die Einlassluft vor einer Verbrennung aufzuladen. Die Wastegateeinrichtung ist betriebsfähig mit der Einlassleitung verbunden. Durch Verändern des Drucks in der Einlassleitung wird eine Druckänderung in dem gesamten System erzeugt. Diese Druckänderung in dem Gesamtsystem führt zu einer Druckänderung über der Abgasrückführungsleitung. Deshalb wird ein Durchfluss durch die Abgasrückführungsleitung erzeugt und kann durch Verwenden der einlassseitigen Wastegateeinrichtung gesteuert werden.
Bezugnehmend nunmehr auf 1 ist eine Abgasrückführungs(AGR)-durchfluss-steuerungsvorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Motor 24 zum Erzeugen von Leistung, eine Lufteinlassleitung 22 zum Liefern von Luft an den Motor 24 zur Verbrennung, eine Abgasleitung 26 zum Abführen des von dem Motor 24 erzeugten Abgases in die Umgebungsatmosphäre, einen Turbolader 28 zum Komprimieren der Einlassluft unter Benutzung des Abgases, um den Wirkungsgrad des Motors 24 zu steigern, eine Abgasrückführungsleitung 30 zum Rückführen zumindest eines Teils des von dem Motor 24 erzeugten Abgases zurück in die Lufteinlassleitung 22, eine Wastegateeinrichtung 32 zum Steuern der Durchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung 30, einen Ladeluftkühler 34 zum Kühlen der Luft vor der Verbrennung, und einen Abgasrückführungskühler 36 (AGR-Kühler) zum Kühlen des Abgases vor einer Rückführung in die Lufteinlassleitung 22.
Die Lufteinlassleitung 22 kann jegliche Art von Leitung sein, die für Fachleute auf der Hand liegt. Zum Beispiel kann die Leitung ein aus Metall oder Kunststoff geformtes Rohr sein. Alternativ kann die Leitung ein Schlauch oder etwas Ähnliches sein. Jegliche Art von Lufteinlassleitung, die zum Liefern von Luft an einen Verbrennungsmotor geeignet ist, wird ins Auge gefasst.
Die Lufteinlassleitung 22 hat einen Einlass 38 und einen Auslass 40. Der Einlass 38 ist in einem Ausführungsbeispiel unmittelbar mit der Umgebungsatmosphäre verbunden. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind vor dem Einlass ein Luftfilter (nicht dargestellt) oder andere Einrichtungen angeordnet. Es ist lediglich notwendig, dass der Einlass 38 Zugang zu einer Luftquelle hat, die ausreichend sauerstoffreich für eine Verbrennung innerhalb des Verbrennungsmotors 24 ist. Die Lufteinlassleitung 22 hat auch einen Auslass 40, der betriebsfähig mit dem Motor 24 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Auslass 40 mit dem Einlasskrümmer 42 des Motors 24 verbunden.
Der dargestellte Verbrennungsmotor 24 ist ein Dieselmotor. Es ist jedoch ins Auge gefasst, dass der Motor durch einen anderen Treibstoff betrieben werden könnte. Der Motor 24 ist als ein Reihensechszylindermotor dargestellt. Andere Ausführungsbeispiele können andere Kolbenanordnungen haben. Der Motor 24 umfasst den Einlasskrümmer 42 und einen Auslasskrümmer 44. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einlasskrümmer 42 betriebsfähig mit dem Auslass 40 der Lufteinlassleitung 22 verbunden. Die Luft aus der Lufteinlassleitung 22 verlässt den Auslass 40 und tritt in den Einlasskrümmer 42 des Motors 24 ein. Der Einlasskrümmer 42 ermöglicht es der durch die Einlassleitung 22 eintretenden Luft, zu den einzelnen Zylindern des Motors 24 geleitet zu werden. Nach einem Eintreten in die Zylinder des Motors 24 wird die Luft verbrannt und Abgas wird erzeugt. Das Abgas verlässt jeden Zylinder durch den Auslasskrümmer 44.
Die Abgasleitung 26 ist betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer 44 verbunden. Die Abgasleitung 26 ist allgemein von jeglicher Art Leitung, die zum Ermöglichen einer Abfuhr des vom Motor 24 erzeugten Abgases geeignet ist. Manche Ausführungsbeispiele habe eine Leitung, die eine rohrzylindrisch geformte Leitung ist. Andere Ausführungsbeispiele haben einfach einen in einem Metallchassis des Motors 24 definierten Luftraum. Jegliche für Fachleute auf dem Gebiet auf der Hand liegende Leitung ist für ein Ausführungsbeispiel akzeptabel. Die Abgasleitung 26 hat einen Abgaseinlass 46, der betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer 44 des Verbrennungsmotors 24 verbunden ist. Der Abgaseinlass 46 vermag Abgas aus dem Auslasskrümmer 44 in den Abgaseinlass 46 zu leiten, um transportiert zu werden. Die Abgasleitung 26 hat auch einen Abgasauslass 48. Der dargestellte Abgasauslass 48 umfasst auch eine Abgasdrossel 50 mit einem Drosseleinlass 52 und einem Drosselauslass 54. Die Abgasdrossel 50 wird zum Erzeugen eines Gegendrucks in der Abgasleitung 26 benutzt, um Abgas durch die Abgasrückführungsleitung 30 zu treiben. Der Abgasauslass 48 entlässt in manchen Ausführungsbeispielen Abgas in die Umgebungsatmosphäre oder transportiert in anderen das Abgas in andere Bereiche.
Bevor Abgas vom Motor 24 aus dem Abgasauslass 48 austritt und bevor Luft in den Einlasskrümmer 42 des Motors 24 eintritt, passiert es bzw. sie den Turbolader 28. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Turbolader 28 einen Kompressor 56 und eine Turbine 58. Der Kompressor 56 wird zum Unterdrucksetzen der Einlassluft verwendet, die in den Einlasskrümmer 42 des Motors 24 geht. Die Turbine 58 verwendet den Motor 24 verlassendes Abgas, um den Kompressor 56 zum Verbessern des Motorwirkungsgrades drehen zu helfen. Der Kompressor 56 und die Turbine 58 sind miteinander durch eine Verbindungswelle 60 verbunden. Die Verbindungswelle 60 erlaubt, dass die Drehung der Turbine 58 mit der Drehung des Kompressors 56 synchronisiert ist. Der Kompressor 56 hat einen Kompressoreinlass 62 und einen Kompressorauslass 64. Der Kompressoreinlass 62 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel betriebsfähig nahe dem Einlass 38 der Lufteinlassleitung 22 angeschlossen. Der Kompressorauslass 64 sitzt vor dem Auslass 40 der Lufteinlassleitung 22. Die Turbine 58 umfasst ebenfalls einen Turbineneinlass 66 und einen Turbinenauslass 68. Der Turbineneinlass 66 erhält Abgas durch die Abgasleitung 26 und ermöglicht es diesem Abgas, in die Turbine 58 einzutreten. Der Turbinenauslass 68 ist betriebsfähig mit dem Drosseleinlass 52 der Abgasdrossel 50 verbunden. Es ist ins Auge gefasst, dass bei anderen Ausführungsbeispielen die Anordnung des Turboladers 28 und der Abgasdrossel 50 unterschiedlich ist. Ferner umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einen Turbolader 28, es ist jedoch ins Auge gefasst, dass die Vorrichtung 20 in anderen Ausführungsbeispielen keinen Turbolader aufweist.
Die Vorrichtung 20 umfasst auch eine Abgasrückführungsleitung 30. Die Abgasrückführungsleitung 30 hat einen Einlass 70 und einen Auslass 72. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einlass 70 betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer 44 des Motors 24 verbunden. In anderen Ausführungsbeispielen kann es jedoch sein, dass der Abgasrückführungseinlass 70 betriebsfähig mit anderen Stellen verbunden ist. Beispielsweise ist in einem Ausführungsbeispiel der Abgasrückführungseinlass 70 betriebsfähig mit der Abgasleitung 26 verbunden. Der Auslass 72 ist betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung 22 verbunden. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Auslass 72 mit dem Einlasskrümmer 42 verbunden oder sogar mit dem Ladeluftkühler 34. Die Abgasrückführungsleitung 30 enthält auch ein Abgasrückführungssteuerventil 74 mit einem Ventileinlass 76 und einem Ventilauslass 78. Das Abgasrückführungssteuerventil 74 wird dazu benutzt, den Durchfluss durch die Abgasrückführungsleitung 30 zu steuern, wenn ein solcher Durchfluss entweder mittels der Abgasdrossel 50 oder der Wastegateeinrichtung 32 erzeugt wird. Die Abgasrückführungsleitung 30 führt vom Motor 24 erzeugtes Abgas rück, um die Sauerstoffkonzentration im Einlasskrümmer 42 und nachfolgende ungünstige chemische Reaktionen im Motor 24 zu vermindern.
In der Lufteinlassleitung 22 befindet sich eine Wastegateeinrichtung 32. Die Wastegateeinrichtung 32 ist hier insbesondere eine steuerbare Einlass-Wastegateeinrichtung (Ventil). In anderen Ausführungsformen können jedoch andere Arten von Drucksteuereinrichtungen eingesetzt werden, wie etwa Rückschlagventile oder ähnliches. Die Wastegateeinrichtung 32 ist in einer Entlüftungsleitung 80 mit einem Entlüftungsleitungseinlass 82 und einem Entlüftungsleitungsauslass 84 angeordnet. Der Entlüftungsleitungsauslass 84 entlüftet zum Kompressoreinlass, dem Abgasregister oder in die Umgebungsluft, je nach Ausführungsform. Andere Ausführungsformen schlagen vor, in andere Bereiche zu entlüften, die für Fachleute auf dem Gebiet auf der Hand liegen. Die Wastegateeinrichtung 32 umfasst ferner einen Einrichtungseinlass 86 und einen Einrichtungsauslass 88. Der Einrichtungsauslass 88 entlüftet zum Auslass 84, wohingegen der Einlass Luft aus der Entlüftungsleitung 80 empfängt.
Des Weiteren umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel die Lufteinlassleitung 22 einen Ladeluftkühler 34. Der Ladeluftkühler 34 kühlt die Luft, bevor sie in den Einlasskrümmer des Motors 24 eintritt. Ein Kühlen der Luft ist wünschenswert, nachdem sie komprimiert worden ist, weil normalerweise die Verdichtung der Luft durch den Kompressor 56 dazu führt, dass die Luft zu heiß ist, um effizient zur Verbrennung verwendet zu werden. Ferner hilft ein Kühlen der Luft beim Verringern ihres Volumens, was es erlaubt, mehr Sauerstoff in den Einlasskrümmer 42 des Motors 24 zu pumpen. Der Ladeluftkühler 34 hat einen Kühlereinlass 90 und einen Kühlerauslass 92. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlereinlass 90 betriebsfähig mit dem Kompressorauslass 64 des Kompressors 56 verbunden. Darüber hinaus hat die Entlüftungsleitung 80 ihren Entlüftungsleitungseinlass 82 genau vor dem Kühlereinlass 90 des Ladeluftkühlers 34. Bei anderen Ausführungsformen kann die Entlüftungsleitung 80 auf der anderen Seite des Ladeluftkühlers 34 nahe dem Kühlerauslass 92 angeordnet sein. Darüber hinaus kann bei weiteren Ausführungsformen überhaupt kein Ladeluftkühler 34 vorhanden sein.
Die Abgasrückführungsleitung 30 enthält auch einen Abgasrückführungskühler 36. Der Abgasrückführungskühler 36 wird ebenfalls dazu benutzt, das den Motor 24 verlassende Abgas zu kühlen, bevor es in den Einlasskrümmer 42 des Motors 24 eintritt. Der Abgasrückführungskühler 36 hat einen Abgasrückführungskühlereinlass 94 und einen Abgasrückführungskühlerauslass 96. Der Einlass 94 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel betriebsfähig mit dem Abgasrückführungssteuerventilauslass 78 verbunden. Ferner ist der Abgasrückführungskühlerauslass 96 betriebsfähig mit einem Injektor 98 verbunden. Der Injektor 98 wird dazu benutzt, das rückgeführte Motorabgas zur Verbrennung zurück in die Lufteinlassleitung 22 zu spritzen. Manche Ausführungsbeispiele schlagen eine Abgasrückführungsleitung 30 ohne einen Injektor 98 vor. Manche Ausführungsbeispiele schlagen auch eine Abgasrückführungsleitung 30 ohne einen Abgasrückführungskühler 36 vor.
2 illustriert ein alternatives Ausführungsbeispiel. Wie ohne weiteres ersichtlich, handelt es sich in 2 um genau dasselbe Ausführungsbeispiel wie in 1 dargestellt, abgesehen davon, dass eine Umgehungsleitung 100 um die Turbine 58 herum vorgesehen ist. Die Umgehungsleitung 100 hat einen Einlass 102 und einen Auslass 104. Darüber hinaus ist ein zweites Wastegateventil 106 in der Umgehungsleitung 100 angeordnet. Das Wastegateventil 106 (Abblasventil) umfasst einen zweiten Wastegateventileinlass 108 und einen zweiten Wastegateventilauslass 110. Dieses Wastegateventil 106 wird dazu benutzt, das den Motor 24 verlassende Motorabgas um die Turbine 58 des Turboladers 28 herum zu leiten. Das Verwenden eines solchen mit Wastegateventil versehenen Turboladers ist im Allgemeinen kostengünstiger als das Verwenden einer Turbine mit variabler Geometrie. Wenn das Abgas mittels der Umgehungsleitung 100 um die Turbine 58 herum geleitet wird, wird keine Kraft auf die Turbine 58 aufgebracht, um ihr zu helfen, den Kompressor 56 zu drehen. Deshalb wird der Druck der in den Krümmer 42 eintretenden Luft verringert. Das Verwenden dieses zweiten Wastegateventils 106 zum Öffnen oder Schließen der Umgehungsleitung 100 hilft beim Steuern der Druckänderung über das gesamte System zusätzlich zu der Wastegateeinrichtung 32 auf der Einlassseite.
Im Betrieb tritt Luft in den Einlass 38 der Lufteinlassleitung 22 ein, wo sie vom Kompressor 56 komprimiert wird. Die komprimierte Luft verlässt den Kompressor 56 am Auslass 64. Die Luft strömt die Entlüftungsleitung 80 hindurch, wo sie entweder von der Wastegateeinrichtung 32 gestoppt oder aus der Einlassleitung 22 abgeblasen wird. Die Luft, die nicht durch die Wastegateeinrichtung 32 entlüftet worden ist, gelangt in den Ladeluftkühler 34, wo sie gekühlt wird, bevor sie in den Einlasskrümmer 42 eintritt. Luft aus dem Einlasskrümmer 42 tritt in den Motor 24 ein, wo sie mit Kraftstoff vermischt und verbrannt wird und als Abgas in den Auslasskrümmer 44 austritt.
Wenn das Abgasrückführungssteuerventil 74 offen ist und eine Druckdifferenz über das gesamte System besteht, tritt zumindest ein Teil des Abgases aus dem Auslasskrümmer 44 aus und strömt durch die Abgasrückführungsleitung 30. Das Abgas wird vom Abgasrückführungskühler 36 gekühlt, bevor es von dem Injektor 98 zurück in die Lufteinlassleitung 22 ausgestoßen wird. Dann wird die rezirkulierte Luft in den Einlasskrümmer 42 zurückgeführt zur Verbrennung im Motor 24. Der Teil des Abgases, der nicht durch die Abgasrückführungsleitung 30 rezirkuliert wird, gelangt in den Turbineneinlass 66 und dreht die Turbine 58, um dem Kompressor 56 beim Verdichten zu helfen. Das Abgas tritt dann aus dem Turbinenauslass 68 aus. Die Abgasdrossel 48 bestimmt die Menge an Abgas, die zum Erzeugen eines Gegendrucks entweder abgeführt oder aufgehalten wird, um dabei zu helfen, einen Durchfluss durch die Abgasrückführungsleitung 30 zu treiben. Somit kann die Benutzung der Wastegateeinrichtung auf der Einlassseite dazu verwendet werden, eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und Auslass des Motors zu erzeugen, um dabei zu helfen, einen Abgasstrom durch die Abgasrückführungsleitung 30 zu treiben. In 2 tritt derselbe Prozess auf ähnliche Weise auf, abgesehen davon, dass es die Kombination des ersten Wastegates auf der Einlassseite mit dem zweiten Wastegate auf der Turbinenseite ist, die diese Druckdifferenz erzeugen, um den Strom durch die Abgasrückführungssteuerleitung zu treiben.
Bezugnehmend nunmehr auf 3 ist ein die Zunahme des Drehmoments zeigendes Diagramm dargestellt. Das Diagramm zeigt Daten von einer mit 1.200 U/min arbeitenden Turbine. Die Turbine hat eine Öffnung von 9,7 cm² und einen Wirkungsgrad von 70%. Das Diagramm trägt die Fläche der Ventilöffnung des Ladewastegates in cm² auf der Vertikalachse auf. Der Kraftstofffluss in kg/min ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Wie 3 klarmacht, erhöht der Einsatz eines Wastegates das in der Turbine mögliche Spitzendrehmoment. Wie 3 illustriert, wird annähernd eine Erhöhung des Spitzendrehmoments um 271 Nm durch Verwenden eines Wastegates auf der Einlassseite erreicht. Dies ist nur ein Vorteil von vielen, der durch Verwenden eines einlassseitigen Wastegates zusätzlich zur Steuerung des Abgasrückführungsflusses erreicht wird.
Bezugnehmend nunmehr auf 4 ist ein Diagramm einer mit 1.200 U/min bei einem stationären Kraftstofffluss von1,1 kg/min laufenden Turbine dargestellt. Das Diagramm hat den Turbinenwirkungsgrad auf der Vertikalachse über der Düsenfläche der Turbine in cm² aufgetragen. Wie die Figur zeigt, hilft das Hinzufügen eines Einlasswastegates, den benötigten Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen und erlaubt es, eine etwas größere Düsenfläche der Turbine zu benutzen. Dies ist ähnlich der durch eine Abgasdrossel erzeugten Wirkung. Es hat jedoch nicht die mit einer heißen Abgasdrossel verbundenen Nachteile und ist kostengünstiger.
Unter Bezugnahme nunmehr auf 5 ist ein Kompressorkennfeld dargestellt. Das Kompressorkennfeld zeigt, dass die Spitzendrehmomentdrehzahllinie sich auf dem Kompressorkennfeld für ein Einlasswastegatesystem nach rechts bewegt, was zu einem größeren Pumpgrenzabstand (engl.: surge margin) führt. Damit ist noch ein weiterer Vorteil des Verwendens einer Einlassdruckänderungseinrichtung gezeigt.
Obwohl die Erfindung in den Figuren und der vorstehenden Beschreibung im Detail gezeigt und beschrieben worden ist, ist selbige als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten, wobei es sich versteht, dass nur die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde.

Claims

Vorrichtung (20) zur Abgasrückführungsunterstützung in einem Dieselmotor, mit: - einer Lufteinlassleitung (22) mit einem Einlass (38) und einem Auslass (40), - einem Verbrennungsmotor (24) mit einem Einlasskrümmer (42) und einem Auslasskrümmer (44), wobei der Einlasskrümmer (42) betriebsfähig mit dem Auslass (40) der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor (24) den Auslasskrümmer (44) verlassendes Abgas erzeugt, - einer Abgasleitung (26) mit einem Einlass (46) und einem Auslass (48), wobei der Abgasleitungseinlass (46) betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist, - einer Abgasrückführungsleitung (30) mit einem Einlass (70) und einem Auslass (72), wobei der Einlass der Abgasrückführungsleitung (30) betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist und der Auslass betriebsfähig mit dem Einlasskrümmer (42) verbunden ist, - einem Turbolader (28) mit einem Kompressor (56) und einer Turbine (58), wobei der Kompressor (56) betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) und die Turbine (58) betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) verbunden ist, - einer ersten Wastegateeinrichtung (106), die betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) gekoppelt ist, um Abgas selektiv zu erlauben, die Turbine (58) zu umgehen, und - einer zweiten Wastegateeinrichtung (32), die betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, wobei die Kombination aus erster Wastegateeinrichtung (106) und zweiter Wastegateeinrichtung (32) dazu betriebsfähig ist, den Pumpgrenzabstand des Kompressors (56) zu vergrößern und eine Spitzendrehmomentabgabe und einen Wirkungsgrad der Turbine (58) durch Ändern der Abgasdurchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung (30) zu vergrößern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ladeluftkühler (34), der betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, wobei die zweite Wastegateeinrichtung (32) stromabwärts des Ladeluftkühlers (34) betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Abgasrückführungskühler (36), der betriebsfähig mit der Abgasrückführungsleitung (30) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Umgehungsleitung (100) mit einem stromaufwärts der Turbine (58) mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbundenen Einlass (102) und einem stromabwärts der Turbine (58) mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbundenen Auslass (104), wobei die Umgehungsleitung (100) dazu betriebsfähig ist, es zumindest einem Teil des Abgases zu ermöglichen, die Turbine (58) zu umgehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Turbine (58) eine Düse mit einer Fläche von 9,7 cm² und die zweite Wastegateeinrichtung (32) eine Öffnung mit einer Fläche größer als 0 bis etwa 0,90 cm² umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (24) mit einem Abgasrückführungssystem, mit den Schritten: Eintreten lassen von Luft in den Verbrennungsmotor durch eine betriebsfähig mit einem Einlasskrümmer (42) des Verbrennungsmotors verbundene Lufteinlassleitung, Komprimieren zumindest eines Teils der dem Motor zugeführten Luft mittels eines mit der Einlassleitung betriebsfähig verbundenen Kompressors (56), Zuführen von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor (24), Mischen zumindest eines Teils des Kraftstoffs mit zumindest einem Teil der Luft, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, Verbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Verbrennungsmotor (24), um Motorabgas zu erzeugen, Leiten zumindest eines Teils des Motorabgases durch eine Abgasleitung (26) des Verbrennungsmotors, Rezirkulieren eines Teils des Motorabgases in den Einlasskrümmer (42) durch eine Abgasrückführungsleitung (30) des Verbrennungsmotors (24), und Abblasen zumindest eines Teils der Luft aus der Lufteinlassleitung, um eine Durchflussmenge des zumindest einen Teils des Motorabgases durch die Abgasrückführungsleitung (30) zu verändern und den Pumpgrenzabstand des Kompressors (56) sowie eine Spitzendrehmomentabgabe und einen Wirkungsgrad einer mit der Abgasleitung (26) verbundenen Turbine (58) zu erhöhen durch Steuern einer ersten Wastegateeinrichtung (106), die mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbunden ist, um Abgas zu ermöglichen, die Turbine (58) zu umgehen, und einer mit der Lufteinlassleitung betriebsfähig verbundenen zweiten Wastegateeinrichtung (32).
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zumindest eine Teil der Luft selektiv in die Umgebung abgeblasen wird.
Vorrichtung, mit: - einer Lufteinlassleitung (22) mit einem Einlass (38) und einem Auslass (40), - einem Verbrennungsmotor (24) mit einem Einlasskrümmer (42) und einem Auslasskrümmer (44), wobei der Einlasskrümmer (42) betriebsfähig mit dem Auslass (40) der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor (24) den Auslasskrümmer (44) verlassendes Abgas erzeugt, - einer Abgasleitung (26) mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Abgasleitungseinlass betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist, - einem Turbolader (28) mit einem Kompressor (56) und einer Turbine (58), wobei der Turbolader (28) betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) und der Abgasleitung (26) verbunden ist, - einem Ladeluftkühler (34), der betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, wobei der Ladeluftkühler (34) vom Turbolader (28) komprimierte Luft kühlt, - einer ersten Wastegateeinrichtung (106), die betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) verbunden ist, um es Abgas selektiv zu ermöglichen, den Turbolader (28) zu umgehen, - einer Abgasrückführungsleitung (30) mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass der Abgasrückführungsleitung (30) betriebsfähig mit dem Auslasskrümmer (44) verbunden ist und der Auslass betriebsfähig mit dem Einlasskrümmer (42) verbunden ist, - einem Abgasrückführungskühler (36), der betriebsfähig mit der Abgasrückführungsleitung (30) verbunden ist, und - einer zweiten Wastegateeinrichtung (32), die betriebsfähig mit dem Lufteinlass verbunden ist, wobei die Kombination aus erster Wastegateeinrichtung (106) und zweiter Wastegateeinrichtung (32) betriebsfähig ist, den Pumpgrenzabstand des Kompressors (56) zu erhöhen und eine Spitzendrehmomentabgabe und einen Wirkungsgrad der Turbine (58) durch Ändern der Abgasdurchflussmenge durch die Abgasrückführungsleitung (30) zu erhöhen.
Vorrichung nach Anspruch 8, bei der die Turbine (58) eine Düse mit einer Fläche von 9,7 cm²und die zweite Wastegateeinrichtung (32) eine Öffnung mit einer Fläche größer als 0 bis etwa 0,90 cm² umfasst.
Abgasrückführungssystem für einen Verbrennungsmotor (24) mit: einem Verbrennungsmotor (24) mit einem Einlasskrümmer (42) und einem Auslasskrümmer (44), wobei der Motor betreibbar ist, ein Abgas zu erzeugen, einer Lufteinlassleitung, die mit dem Einlasskrümmer (42) betriebsfähig verbunden ist, um dem Einlasskrümmer (42) Luft zuzuführen, einer mit dem Auslasskrümmer (44) betriebsfähig verbundenen Abgasleitung (26) zum Leiten zumindest eines Teils des Abgases, einem Turbolader (28) mit einem Kompressor (56) und einer Turbine (58), wobei der Kompressor (56) mit der Lufteinlassleitung (22) und die Turbine (58) mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbunden ist, einer mit dem Einlasskrümmer (42) und dem Auslasskrümmer (44) betriebsfähig verbundenen Abgasrückführungsleitung (30), die betriebsfähig ist, zumindest einen Teil des Abgases mit einer Durchströmungsmenge dem Einlasskrümmer (42) zuströmen zu lassen, einer ersten Wastegateeinrichtung (106), die betriebsfähig mit der Abgasleitung (26) gekoppelt ist, um Abgas selektiv zu erlauben, die Turbine (58) zu umgehen; und einer zweiten Wastegateeinrichtung (32), die in Kombination mit der ersten Wastegateeinrichtung (106) betriebsfähig ist, den Pumpgrenzabstand des Kompressors (56) zu erhöhen und eine Spitzendrehmomentabgabe und einen Wirkungsgrad der Turbine (58) zu erhöhen, wobei die zweite Wastegateeinrichtung (32) betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbunden ist, um zumindest einen Teil der Einlassluft abzublasen, um die Abgasflussrate durch die Abgasrückführungsleitung (30) zu ändern, wobei die zweite Wastegateeinrichtung (32) eine Öffnung mit einer Fläche größer als 0 bis etwa 0,90 cm² aufweist.
Abgasrückführungssystem nach Anspruch 10, bei dem die Turbine (58) eine Düse mit einer Fläche von 9,7 cm² aufweist.
Abgasrückführungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Umgehungsleitung (100) mit einem stromaufwärts der Turbine (58) mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbundenen Einlass (102) und einem stromabwärts der Turbine (58) mit der Abgasleitung (26) betriebsfähig verbundenen Auslass (104), wobei die Umgehungsleitung (100) dazu betriebsfähig ist, es zumindest einem Teil des Abgases zu ermöglichen, die Turbine (58) zu umgehen.
Abgasrückführungssystem nach Anspruch 12, wobei die betriebsfähig mit der Lufteinlassleitung (22) verbundene zweite Wastegateeinrichtung (32) den zumindest einen Teil der Einlassluft in die Umgebung selektiv abbläst.