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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbessern der Abgasrückführleistung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Hervorrufen eines Abgasrückführungsstroms in einen Ansaugkrümmer eines Motors wie beispielsweise eines Turbodieselmotors, um ein verbessertes Vermischen des rückgeführten Abgases und einen einheitlicheren Strom des rückgeführten Abgases während Motorbetriebstransienten zu ermöglichen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Bereich der Fahrzeugemissionsüberwachung ist wohlbekannt, dass während bestimmter Betriebszustände des Motors unerwünschte Verbrennungsprodukte wie Stickoxide (NOx) durch Einführen eines Teils der Abgase, die den Brennraum des Motors verlassen, zurück in den Ansaugkrümmer des Motors verringert werden können. Das rückgeführte Abgas schwächt die einströmende frische Ansaugluft, wodurch eine Mischung für den Motor entsteht, die zwei primäre Mechanismen für die Verringerung der NOx-Bildung bereitstellt. Der erste Mechanismus besteht darin, dass die Mischung den Höhepunkt der innerzylindrischen Verbrennungstemperatur verringert, wobei das Abgas sich wie ein Kühlkörper verhält. Der zweite Mechanismus besteht in dem Schwächen des Frischluftstroms, indem ein Teil des Sauerstoffs, der andernfalls in den Brennraum gezogen worden wäre, verdrängt wird. Der geringere Sauerstoffgehalt führt zu weniger einzelnen Sauerstoffatomen, die die Bildung von NOx fördern, und führt zu einer Gesamtverringerung der NOx-Bildung.
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In konventionellen Verbrennungsmotoren wie beispielsweise dem in 1 schematisch dargestellten Motor 1, wird zwischen einer Abgasleitung 10, die von dem Brennraum 3 des Motors zu dem Ansaugkrümmer 20 wegführt, ein Abgasrückführkanal 2 bereitgestellt. Die Abgasrückführleitung ist häufig mit einem Kühler 22 zum Kühlen eines Teils des in den Ansaugkrümmer rückgeführten Abgases und einem Stromregelventil 23 ausgestattet. Das Stromregelventil 23 kann geöffnet, geschlossen und/oder gedrosselt werden, um die Menge des rückgeführten Abgases zu steuern und dadurch den Bedarf des Motors an rückgeführtem Abgas an den Betriebszustand des aktuellen Motors anzupassen. Falls der Motor mit einem Turbolader 30 ausgestattet ist, ist der Abgasrückführkanal 2 typischerweise stromabwärts des Kompressorabschnitts 31 des Turboladers, des Zwischenkühlers 40 und/oder einer beliebigen Stromregelvorrichtung 50 und stromaufwärts der Turbine 32 des Turboladers und der Abgasbehandlungsvorrichtungen 60 bereitgestellt.
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Ein wohlbekanntes Problem bei Abgasrückführsystemen besteht in der Tendenz, einen Abgasstrom aus dem Abgas- in den Ansaugkrümmer zurückzuführen, damit er sich bei bestimmten Motorbetriebszuständen, d.h. wenn ein ungünstiges Druckverhältnis zwischen der Abgas- und der Ansaugleitung besteht oder geringe Abgasmassendurchsätze vorhanden sind, verringert oder sogar stoppt. Zum Beispiel kann in Reaktion auf einen plötzlichen Anstieg des Motorleistungsabgabebedarfs ein zu geringer Abgasstrom in der Auspuffanlage vorhanden sein, um den Ansaugkrümmer mit ausreichend rückgeführtem Abgas zu versorgen, um dem plötzlichen Anstieg an die Zylinder des Motors geleiteten Sauerstoffs und Kraftstoffs zu entsprechen. In derartigen Situationen kann das Fehlen ausreichender rückgeführter Abgase dazu führen, dass die NOx-Bildung während des Transientenzustands nicht angemessen unterdrückt werden kann und dass die NOx-Emissionsvorgaben entsprechend potenziell überschritten werden.
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Ein weiteres Problem, das manche rückführende Abgassysteme aufweisen können, tritt bei der Verwendung eines Turboladers dadurch auf, dass der Turbolader ausreichend Druck in dem Ansaugkrümmer aufbauen kann, um, insbesondere während Motorleistungsabgabebedarfstransienten, den Abgasstrom durch die Abgasrückführleitung in die Zuleitung effektiv zu unterbrechen.
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Vorhergehende Versuche zur Verbesserung des Abgasrückführstroms haben sich primär auf den Aufbau eines Gegendrucks in den stromabwärtsführenden Abgasleitungen konzentriert, beispielswiese durch das zumindest teilweise Schließen eines stromabwärtsführenden Motorbremsventils, das stromaufwärts oder stromabwärts der Turbinenseite eines Turboladers angeordnet ist, oder durch das Verwenden eines kostenintensiven Turboladers mit variabler Geometrie, dessen Schaufeln so angepasst werden können, dass der Strom durch den Turbolader reduziert und dadurch ein Gegendruck aufgebaut wird. Derartige Herangehensweisen erhöhen den Druckunterschied entlang der Abgasrückführleitung zwischen der Abgasleitung und dem Ansaugkrümmer. Selbst mit der Unterstützung derartiger Auspuffleitungskomponenten kann ein angemessener Abgasrückführstrom in den Ansaugkrümmer jedoch nicht in vielen transienten Motorbetriebszuständen gewährleistet werden.
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In Anbetracht dieser und anderer Probleme des aktuellen Standes der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verstärkten Abgasrückführstrom in allen Motorbetriebszuständen, einschließlich in bestimmten transienten Motorbetriebszuständen, bereitzustellen. Es ist ein weiteres Ziel, ein verbessertes Vermischen des rückgeführten Abgases und der Frischluft in diesen Betriebszuständen bereitzustellen.
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Diese und andere Ziele werden durch eine neue Anordnung einer Venturi- und einer Pitotrohrdüsenkomponente angegangen, welche Zustände herbeiführen können, unter denen der Coandă-Effekt zum Verstärken des Abgasrückführstroms bei quasi jedem Motorbetriebszustand angewendet werden kann. Diese Anordnungen helfen somit beim Verringern des Potenzials für ein Überschreiten der Emissionsbeschränkungen während der Motobetriebszustände, einschließlich transienter Zustände.
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Der Coandă-Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Fluidstrahl wie beispielsweise ein Gasstrahl, der in der gleichen Art Fluid (z. B. ein in einem Gas strömender Gasstrahl oder ein in einer Flüssigkeit strömender Flüssigkeitsstrahl) strömt, umgeleitet wird, wenn er an einer angrenzenden konvexen Oberfläche vorbeiströmt, indem er der Kontur der konvexen Oberfläche folgt, bis der Fluidstrahlstrom sich von der Oberfläche trennt. Tatsächlich passt sich der Strahl mit der hohen Geschwindigkeit an die konvexen Oberfläche an, weil das Fluid, in dem der Strahl mit hoher Geschwindigkeit fließt, nicht zwischen dem Strahl mit hoher Geschwindigkeit und der angrenzenden konvexen Oberfläche vorhanden ist, d. h. die Umleitung des Strahls mit hoher Geschwindigkeit „füllt“ das Vakuum, das andernfalls zwischen dem verhindert Strahl mit hoher Geschwindigkeit und der angrenzenden konvexen Oberfläche entstehen würde. Das Umleiten in Richtung der konvexen Oberfläche wird von einem Druckabfall und einem Anstieg der Fluidgeschwindigkeit der angrenzenden Oberfläche entsprechend der Bernoullischen Fluidstromgleichungen begleitet.
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Die Verringerung des Fluiddrucks, der aus dem Coandă-Effekt resultiert, kann verwendet werden, um einen Druckunterschied zu vergrößern und/oder einen Massendurchsatz in einem anderen Fluid zu erhöhen. Zum Beispiel kann bei Flugzeuganwendungen der Auftrieb einer Tragfläche durch das Ablassen der Abgase aus dem Strahltriebwerk über die obere Oberfläche einer Tragfläche erhöht werden, sodass ein entlang der konvexen oberen Oberfläche der Tragfläche umgeleiteter Strahlstrom mit hoher Geschwindigkeit eine Druckminderung erfährt, wodurch der Druckunterschied zwischen der unteren und der oberen Oberfläche einer Tragfläche wirksam erhöht wird. In anderen Anwendungen können der verringerte Druck und die erhöhte Geschwindigkeit in dem Strahl mit der hohen Geschwindigkeit an dem Punkt, an dem er einer angrenzenden konvexen Oberfläche folgen muss, verwendet werden, um den Massendurchsatz eines angrenzenden Fluidstroms durch folgende Maßnahmen zu verstärken:
- (i) Erhöhen des Differnzialdrucks zwischen einem stromaufwärtsgerichteten Punkt, an dem der angrenzende Flussstrom in einen Strömungskanal gelangt, und dem Punkt, an dem der Coandă-Effekt erzeugt wird, und (ii) Erhöhen der seitlichen Verteilung des angrenzenden Fluids in dem Fluid mit der hohen Geschwindigkeit durch den physikalischen Bewegungsbeginn in dem hohen Bereich des Coandă-Stroms. Dieser Bewegungsbeginn mit hoher Geschwindigkeit hilft bei der Förderung eines sorgfältigeren Vermischens der Fluidströme.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasrückführleitung mit der allgemeinen Form eines Pitotrohrs mit einer Öffnung des Pitotrohrs axial zu dem Zentrum eines äußeren Rohrs eines Venturikrümmers angeordnet, durch den Frischluft mit einem relativ hohen Druck strömt. Vorzugsweise ist der Ausgang des Pitotrohrs in die Strömungsrichtung stromabwärts ausgerichtet und axial in der Nähe eines Eingangs eines verengten Bereichs des äußeren Rohrs angeordnet. Der Übergang zwischen einem Bereich mit einem abnehmenden Durchmesser des äußeren Rohrs und einem verengten, relativ geraden Bereich des äußeren Rohrs stellt eine konvexe Wandoberfläche an der Innenseite des äußeren Rohrs bereit. Wenn sich die Frischluft in diesem Bereich an die konvexe Oberfläche anpasst, führt der Coandă-Effekt zu einem verringerten Druck und einer erhöhten Geschwindigkeit der Frischluft. Ferner reduziert durch Positionieren des Ausgangs des Pitotrohrs an der äußeren Mittellinie des Rohrs in dem Übergangsbereich zwischen dem weitesten und dem engsten Bereich des äußeren Rohrs (d. h. in dem konvergierenden Strombereich) die äußere Oberfläche des Pitotrohrs wirkungsvoll den Querschnitt des Strombereichs der Frischluft in dem äußeren Rohr, wodurch die Geschwindigkeit der Frischluft weiter verstärkt und der Druck der Frischluft für einen bestimmten Massendurchsatz der Frischluft verringert wird.
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Die Beziehungen zwischen den Parametern der Strömungssteigerung der vorliegenden Erfindung kann nach Bedarf für eine Anwendung variiert werden, solange eine geeignete Strömungsleistung aufrechterhalten wird. Zum Beispiel lag nach dem aktuellen Stand der Technik das „Geschwindigkeitsverhältnis“ zwischen dem rückgeführten Abgas, das eingeführt wird, und der frisch aufgenommenen Luft stromaufwärts des Zuführpunktes des Abgases typischerweise bei etwa 1,5. Aus der in Verbindung mit der Anwendung des Coandă-Effekts in der vorliegenden Erfindung einhergehenden Verstärkung ergeben sich Geschwindigkeitsverhältnisse von etwa 2,0 bis 5,0, die eine bessere Mischungseffizienz, einen verstärkten Abgasstrom und das Verhindern eines Rückflusses in die Abgasleitung ermöglichen.
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Die Parameter, die sich auf die Geschwindigkeitsrate auswirken, umfassen den Innendurchmesser D1 des Frischluftrohres stromaufwärts des Zuführpunktes des rückgeführten Abgases, den Innendurchmesser D2 des verengten Rohrteils, den Konvergenzwinkel α des konvergierenden Rohrteils (wodurch D1, D2 und α die Länge I des konvergierenden Abschnitts definieren), die Eintrittstiefe x sowie den Außendurchmesser d1 der Abgaszuführleitung in den konvergierenden Rohrteil und den Massendurchsatz des Rückführabgases m1 und der Frischluft m2. Zusammengenommen definieren diese Variablen den Ringbereich A zwischen dem Eintrittsende der Leitung des rückgeführten Abgases und der seitlich angrenzenden konvergierenden Rohrwand (d. h. A = f(D1, D2, d1, x, α) und das resultierende Geschwindigkeitsverhältnis VR (d. h. VR = f(D1, D2, d1, x, α, m1, m2).
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Mit dieser Anordnung des Abgasrückführ-Pitotrohrs und dem äußeren konvergierenden Frischluftrohr geht der deutlich verringerte Druck in der Nähe des Ausgangs des Pitotrohrs mit einem im Wesentlichen vergrößerten Druckunterschied zwischen der Abgasleitung und dem äußeren Frischluftrohr einher. Dieser erhöhte Druckunterschied dient der deutlichen Steigerung des Massendurchsatzes und der Geschwindigkeit des aus dem Ausgang des Pitotrohrs gewonnenen Abgases selbst bei bestimmten Motorbetriebszuständen, in denen das Druckverhältnis zwischen dem Abgas- und dem Ansaugkrümmer typischerweise ungünstig ist.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Coandă-Effekts besteht in der Verstärkung der Seitenverschiebung des aus dem Pitotrohr gewonnenen Abgases, wo aufgrund der Verringerung des Drucks der Frischluft, während sie entlang der konvexen Außenwandoberfläche strömt, das Abgas wirksam seitlich in Richtung der Rohrwand gezogen wird. Dieser Effekt ermöglicht eine wesentlich größere Homogenität der Mischung aus rückgeführtem Abgas und Frischluft in Richtung der Brennräume und einen entsprechenden Querschnitt eines Geschwindigkeitsprofils in dem äußeren Rohr, in dem die typische „V“-Verteilung vom Zentrum nach außen abgeflacht ist. Das verstärkte Vermischen tritt darüber hinaus in einer weitaus geringeren Entfernung als in konventionellen Abgasrückführsystemen auf, welche Abgas einfach direkt in die Frischluftzufuhrleitung des Motors ablassen. Das seitliche Vermischen des Abgases mit Frischluft kann ferner durch das Bereitstellen eines abweichenden äußeren Rohrbereichs stromabwärts der konvergierenden Stromrichtung des äußeren Rohrs verstärkt werden.
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Die verbesserte Homogenität der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, die in die Brennräume des Motors gelangt, verstärkt die Überprüfung der NOx-Bildung in dem Brennraum dadurch, dass die eingegrenzten Bereiche der Über- und Unterversorgung mit Rückführabgas in dem Brennraum im Wesentlichen verringert wird.
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Frühere Systeme, die ein Pitotrohr verwendeten, um Abgas in das Frischluftladerohr einzuführen, verwendeten ein gerades Pitotrohr in einer Weise, die primär nur einen Abgaseingangspunkt in dem Frischluftstrom an einem oder nahe einem Venturiabschnit verwendeten, was dazu führte, dass das Abgas in einem relativ homogenen Strom innerhalb der Frischluftsäule über eine wesentliche Stromabwärtsentfernung mitgerissen wurde. Entsprechend benötigten frühere Konstruktionen, um zu versuchen zu verhindern, dass eine inhomogene Mischung aus Luft/Abgas in die Motorzylinder gelangt (was NOx-Emissionen potenziell verstärkt), einen nicht wünschenswert langen Zuführtrakt stromabwärts des Abgaszuführpunktes, um eine ausreichende Gasvermischung zu gewährleisten. Es ist für Konstrukteure schwierig, derartig lange Zuführungen in den stark platzbeschränkten Motorräumen moderner Fahrzeuge unterzubringen.
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Um auf das Fehlen einer homogenen Mischung in der oben beschriebenen früheren Konstruktion einzugehen, werden nach dem aktuellen Stand der Technik zahlreiche kleine Abgaszuführrohre bereitgestellt, die in dem Frischluftzuleitungsrohr angehäuft sind, um ein verstärktes Vermischen bei einer kürzeren Entfernung von dem Abgaszuführpunkt bereitzustellen. Diese Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass sie kein ausreichend hohes Druckgefälle bereitstellen, um einen angemessenen Abgasrückführstrom in allen Motorbetriebszuständen zu gewährleisten.
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Im Gegensatz zu diesen vorhergehenden Konstruktionen führt die Anordnung des Venturi- und des Pitotrohrs zum Erzeugen eines durch den Coandă-Effekt hervorgerufenen Verstärkens der Abgasgewinnung aus dem Pitotrohrausgang zu einer wesentlich größeren Homogenität des Stroms des Frischluft-Abgasgemischs und erzielt ein höheres Niveau dieser Homogenität in einer deutlich kürzeren Entfernung. Diese höhere Leistung ermöglicht dem Konstrukteur eine weit größere Flexibilität beim Gestalten von Motorsytemen, da keine exzessiv langen stromabwärtsgerichteten Zuführleitungen mehr benötigt werden, um zu gewährleisten, dass ein ausreichend gut vermischter Leitungsinhalt in den Motorzylinder gelangt.
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Es sind Änderungen der oben genannten Ausführungsform zum Erhalt äquivalenter funktionaler Anordnungen möglich. Zum Beispiel kann anstelle des Bereitstellens eines äußeren Rohrs, das so geformt sein muss, dass es die konvergierenden, konvexen und divergierenden Bereiche erzielt, ein entsprechend geformter röhrenförmiger Einsatz innerhalb eines äußeren Rohrs mit konstantem Querschnitt eingesetzt werden.
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Andere Objekte, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung deutlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines bereits bekannten Turboladermotors mit einem Kanal für die Abgasrückführung.
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2a ist eine schematische Darstellung einer Abgasrückführsystemanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2b ist eine schematische Darstellung einer Abgasrückführsystemanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Darstellung einer beispielhaften Druckverteilung in einer Abgasrückführsystemanordnung ähnlich der in 2 dargestellten.
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4a–4c sind Darstellungen einer beispielhaften Gasgeschwindigkeitsverteilung in der Abgasrückführsystemanordnung aus 3.
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5a–5b sind Darstellungen einer beispielhaften Verteilung einer Mischung aus Abgas und Frischluft als eine Funktion aus Position und Entfernung von der Leitungswand in einer Abgasrückführsystemanordnung ähnlich der in 2 dargestellten.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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2a ist eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2b ist ein Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform mit Fokus auf einen Bereich des Pitot- und des Venturi-Rohrs in 2a. Wie in 2a dargestellt, wird zurückzuführendes Abgas über eine Leitung 202, die den Frischluftzugang 220 durchdringt und an einem Austrittsende 203 endet, welches sich ungefähr mittig in dem Frischluftzugang 220 befindet und in eine stromabwärtsgerichtete Flussrichtung in Richtung des Motors 201 ausgerichtet ist, aus dem Abgaskrümmer 210 in den Frischluftzugang 220 geleitet. Der Ausgang 203 der Abgasrückführleitung 202 weist eine allgemeine Form eines Pitotrohrs auf, vorzugsweise mit einer Außenwand, die zu einer konischen Kante hin dünner wird, sodass Durchflussstörungen an dem Punkt, an dem das Abgas die Leitung verlässt, verringert werden.
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Der Ausgang 203 ist in unmittelbarer Nähe des engsten Teils 221 eines konvergierenden Teils 222 der Frischluftzuführung 220 angebracht. Der konvergierende Teil 222 wird von einem konstanten Querschnittsteil 223 (auch als der „Hals“ bezeichnet) mit nahezu parallelen Wänden gefolgt, welcher wiederum von einem divergierenden Teil 224 gefolgt ist. Dieser im Allgemeinen venturiförmige Teil des Frischluftzugangs 220 befindet sich, in Kombination mit der sorgfältigen Positionierung des pitotrohrförmigen Ausgangs 203, in unmittelbarer Nähe des engsten Teils 221 des konvergierenden Bereichs 222. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Venturihals einen Durchmesser von 44,5 mm aufweisen, das Pitotrohr einen Außendurchmesser von 38,1 mm aufweisen und der Venturi sich in einer Entfernung von 2,4 mm von dem Hals befinden, um eine Coandă-basierte Vergrößerung des Abgasstroms aus dem Pitotrohrausgang 223 zu erzielen.
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Während der Frischluftstrom in der Frischluftzuführung 220, der die Stromregelvorrichtung 250 durchströmt, auf den Teil der Abgasrückführleitung 202 innerhalb der Frischluftzuführung 220 trifft, beschleunigt der Frischluftstrom auf eine höhere Geschwindigkeit, während dieser Leitungsabschnitt 202 den verfügbaren Querschnittsstrombereich innerhalb der Frischluftzuführung 220 wirkungsvoll verringert (für einen durchschnittlichen Fachmann liegt auf der Hand, dass die Verringerung des Strombereichs eine proportionale Erhöhung der Stromgeschwindigkeit erfordert, um den Massendurchsatz der zugeführten Frischluft beizubehalten). Die Vergrößerung der Frischluftgeschwindigkeit wird von einer entsprechenden Verringerung des Drucks der Frischluft entsprechend den wohlbekannten Bernoullischen Strömungsgleichungen begleitet. Während die Frischluft die Zuführung 220 weiter nach unten in den konvergierenden Teil 222 durchläuft, wird die Geschwindigkeit weiter erhöht und der Druck aufgrund der Verringerung des Querschnittsstrombereichs verringert. Die Verringerungsmenge in dem Querschnitt wird vorzugsweise für jede Motoranwendung optimiert, und zwar vorzugsweise dergestalt, dass die Länge des konvergierenden Teils und der Durchmesser der Zuführung 220 an dem engsten Teil 221 zusammen die größte Beschleunigung der Frischluft ohne Erzeugen eines Drosselungspunkts 221, der in unerwünschter Weise den Gegendruck in dem Zuführungsrohr erhöht, bereitstellen.
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Während der sich nun schneller bewegende Frischluftstrom in der Nähe der Innenwand der Zuführung 220 den engsten Teil des konvergierenden Teils 222 durchströmt, durchläuft der Strom eine konvexe Wandoberfläche, während er von der Stromaufwärtsrichtung zu der Stromabwärtsrichtung des engsten Teils 221 gelangt. Während die Frischluft den Bereich der konvexen Wand passiert, verursacht der Coandă-Effekt in Abwesenheit eines anderen Fluids zwischen der Frischluft und der konvexen Wand, dass der Frischluftstrom in Richtung der Wände des Teils 223 mit dem engen konstanten Querschnitt umgeleitet wird, wobei sich der Druck in dem Frischluftstrom weiter verringert (und wodurch sich die Geschwindigkeit des Frischluftstroms erhöht), da sich der Frischluftstrom aus seinem Flussstrom in Richtung des stromabwärtsgerichteten Teils der konvexen Wandoberfläche ausdehnen muss.
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Die kumulative Wirkung dieser unterschiedlichen Erhöhungen der Geschwindigkeit des Frischluftstroms und der Verringerungen des Drucks besteht darin, dass ein Bereich mit besonders geringem Druck in dem Gebiet bei dem und unmittelbar stromabwärts von dem Ausgang 203 des pitotrohrförmigen Endes der Abgasrückführleitung 202 erschaffen wird. Dieser eingegrenzte Niederdruckbereich verhält sich so, dass er die Gewinnung des rückgeführten Abgasstroms aus der Leitung durch Erhöhen des Druckunterschieds zwischen dem Abgaskrümmer 210 und dem Frischluftkrümmer 220 deutlich fördert. Der durch den lokalen Druckabfall hervorgerufene relativ hohe Druckunterschied zwischen diesen Krümmern an dem Ausgang 203 behält den stark positiven Strom von rückgeführtem Abgas in quasi allen relevanten Motorbetriebszuständen bei, selbst in Zuständen, die zuvor zu einer geringen oder nicht vorhandenen Abgasrückführung sowie einem Überschreiten der Emissionsbeschränkungen geführt hätten.
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Zusätzlich zu dem Unterstützen der Gewinnung des rückgeführten Abgases aus der Abgasrückführleitung 202 verstärkt die Position des Ausgangs 203 an dem oder direkt stromaufwärts von dem konvexen Wandteil des konvergierenden Teils 222 zur Nutzung des Coandă-Effekt die Seitenverschiebung des aus dem Pitotrohr gewonnenen Abgases. Der Coandă-Effekt, der die Frischluft in Richtung der Wand des Durchgangs zieht und dadurch einen Niederdruckbereich in dem Innenring des Frischluftdurchgangs durch den Ausgang 203 erzeugt, zieht das aus dem Ausgang 203 austretende Gas wirksam seitlich in Richtung der Rohrwand. Das Ziehen des Abgases seitlich nach außen ermöglicht ein stärkeres Vermischen und eine stärkere Homogenität der Abgas-/Frischluftmischung, die in Richtung der Brennräume strömt, und zwar in einer wesentlich geringeren Entfernung als in konventionellen Abgasrückführsystemen, die das Abgas einfach direkt in die Frischluftzuführleitung des Motors ablassen. Dieser Effekt kann durch das Bereitstellen eines Bereichs aus einem divergenten äußeren Rohr stromaufwärts des konvergierenden Strombereichs des äußeren Rohrs verstärkt werden, wodurch das seitliche Vermischen des Abgases mit Frischluft weiter verstärkt wird.
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3 stellt eine beispielhafte Druckverteilung in einer AGR-Zuführanordnung ähnlich derjenigen in 2 dar. In dieser Anordnung wird ein Frischluftzuführrohr 320 von einer Abgasrückführleitung 302 durchdrungen, welche sich dreht und einen konischen Ausgang 303 stromabwärts in Richtung des Frischluftzuführungsrohrs 320 erreicht. Unmittelbar stromabwärts des AGR-Ausgangs 303 verengt sich das Frischluftrohr 320 zu einem geringeren Durchmesser in einem verengten Teil 323, gefolgt von einer konischen Ausdehnung zu einem Teil 324 des Frischluftzuführungsrohrs 320 mit einem größeren Durchmesser.
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In der Anordnung von 3 ist ein Motorbetriebszustand dargestellt, in dem der Abgasdruck in der Zuführung 304 der Abgasrückführleitung 302 297.733 Pa beträgt, während der Frischluftdruck in der Zuleitung 321 des Frischluftzuleitungsrohrs 320 313.933 Pa beträgt. Bei diesen Zuständen wäre die Abgasrückführung in Abwesenheit der AGR-Anordnungen der vorliegenden Erfindung aufgrund des ungünstigen Druckverhältnisses zwischen dem Ansaug- und dem Abgaskrümmer nicht möglich (da der Druck in der Frischluftzuführung 320 16.200 Pa höher als in der Zuführung der AGR-Leitung 302 ist).
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Durch Verwenden der vorliegenden Erfindung jedoch wird die Gewinnung des rückgeführten Abgases in die Frischluftzuführung aufgrund der durch den Venturi- und den Coandă-Effekt verursachten Druckverringerungen in dem Frischluftstrom gewährleistet. In diesem Beispiel beträgt der von dem Abgas an der Spitze der AGR-Leitung 302 (d. h. an Ausgang 303) beobachtete Druck 296.581 Pa bzw. 1.152 Pa weniger als der Druck an der AGR-Rückführleitungszuführung 304. Dieser Druckunterschied ermöglicht ein zuverlässiges Gewinnen von rückgeführtem Abgas aus der AGR-Rückführleitung 302 trotz des hohen Drucks in dem Frischluftzuführrohr 320. Ferner verringert die Verringerung des Stroms in dem Querschnittbereich, während die Frischluft den Bereich der AGR-Leitung 302 innerhalb des Frischluftzuführrohrs 320 erreicht, den Druck der Frischluft, sodass sie das Beibehalten des gewünschten niedrigen Drucks an dem AGR-Leitungsausgang 303 unterstützen kann. Diese Druckverringerung in Reaktion auf die Erhöhung der Frischluftgeschwindigkeit kann in dem Beispiel aus 3 in den Zonen 304, 305, 306 und 307 beobachtet werden, in denen der Druck von 313.933 Pa jeweils auf 315.461 Pa (Zone 304), 312.266 Pa (Zone 305), 309.070 Pa (Zone 306) und 297.435 Pa (Zone 307) fällt. Nachdem er anschließend den divergierenden Teil 324 durchlaufen hat, resultiert der vergrößerte Querschnittsbereich des Stroms in einer Verringerung der Stromgeschwindigkeit für einen bestimmen Massendurchsatz und einer konsequenten Erhöhung des Drucks relativ zu der stromaufwärtsgerichteten AGR-Zuführposition. In diesem Beispiel ist der Zuführdruck zu dem Zeitpunkt, zu dem die Frischluft-Abgasmischung den Zuführungspunkt 308 erreicht, auf 3.000.000 Pa angestiegen.
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4a–4c sind Darstellungen der Geschwindigkeitsverteilung der Frischluft und der rückgeführten Abgase in der Abgasrückführsystemanordung aus 2 entsprechend den in 3 dargestellten Druckverteilungen. 4a stellt die Anordnungen aus 3 mit durchschnittlichen Geschwindigkeiten im Querschnitt an der Frischluftzuführung 421, der Zuführung der AGR-Leitung 402 und dem Zuführpunkt 408 dar, die jeweils 9,6 Meter/Sekunde, 21,3 m/s und 27,2 m/s betragen. Wie in 4a (und detaillierter in 4b) dargestellt, erhöht sich, wenn der Frischluftstrom die AGR-Leitung erreicht, das Geschwindigkeitsprofil in der Frischluft entlang des pitotrohrförmigen AGR-Ausgangs und erreicht an der Lücke zwischen dem AGR-Ausgang 403 und dem Eingang des Teils 423 mit dem verringerten Innendurchmesser bis zu 100 m/s. Unmittelbar stromabwärts des Zuführpunktes für das rückgeführte Abgas (Ausgang 403) führt die eingegrenzte Verringerung des Drucks an dem Ausgang zu einer Beschleunigung des Abgasstroms auf 29 m/s in dem Niederdruckgebiet zwischen den Frischluftströmen entlang den Wänden des verengten Teils 423. Die verstärkte Druckminderung und Geschwindigkeitssteigerung in diesem Bereich wird von dem Coandă-Effekt verstärkt, welcher sich in 4b beobachten lässt, wo sich der Frischluftstrom 410 nahe der konvexen Wandoberfläche nahe dem AGR-Ausgang 403 dreht, um der Wandoberfläche in Teil 423 zu folgen, wodurch der verfügbare Querschnittsbereich, in den das rückgeführte Abgas strömen kann, wirksam vergrößert wird. Dadurch erhält das rückgeführte Abgas einen zusätzlichen nach außen gerichteten radialen Impuls, sodass es sich schneller in Richtung des Frischluftstroms 410 ausdehnt, welcher in Richtung der Rohrwand gedreht wurde und beginnt, sich mit der Frischluft zu vermischen. Dies kann an Punkt 411 beobachtet werden, wo sich nur _ Millimeter stromabwärts des Abgaszuführungspunkts 403 die lokale Geschwindigkeit des Stroms auf etwa 80 m/s verringert hat (was darauf hinweist, dass ein wesentliches Vermischen der Frischluft mit hoher Geschwindigkeit und dem Abgas mit geringerer Geschwindigkeit bereits begonnen hat). Das relativ „flache“ Geschwindigkeitsprofil entlang des verengten Teils 423 kann in 4c beobachtet werden, die eine Geschwindigkeitsdifferenz von nur 15 m/s zwischen dem Zentrum 441 des Querschnitts und einem radialen Punkt 440 zeigt, welcher etwa 75% des Strombereichs repräsentiert (in diesem Beispiel eine Differenz von etwa 20–35 m/s).
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Am Ende des engsten Stromabschnitts (Punkt 412) beträgt die Fließgeschwindigkeit allein innerhalb der Wand etwa 50 m/s, während die Geschwindigkeit im Zentrum des Querschnitts an Punkt 412 etwa 20 m/s beträgt, was darauf hindeutet, dass die Frischluft und das rückgeführte Abgas in noch größerem Umfang vermischt werden. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Gasgemischstrom den Zuführpunkt 408 erreicht, ist die Geschwindigkeitsverteilung entlang dem Stromabschnitt mit Abweichungen von etwa 10 m/s bis 30 m/s entlang des gesamten Querschnitts des Rohrs 420 nahezu einheitlich. Ein solch sorgfältiges Vermischen des rückgeführten Abgases in der Frischluftzuleitung hilft dabei, eine im Wesentlichen homogene Verteilung des rückgeführten Abgases, das in die Brennräume des Motors eingelassen wird, zu gewährleisten, wodurch sich das Potenzial für „Heißstellen“ während der Kraftstoffverbrennung in dem Brennraum und unerwünschte eingegrenzte höhere NOx-Konzentrationen verringert werden.
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Ein Beispiel für das sorgfältige Vermischen von Gasen bei einer kurzen Entfernung ist in den 5a–5b dargestellt. 5a zeigt den „verbrannten Massenanteil“ der Gase, d. h. die Menge rückgeführter Abgase an einem beliebigen Punkt innerhalb des Systems mit reinem rückgeführtem Abgas (verbrannter Massenanteil = 1,0) in der AGR-Leitung 502 und reiner frisch zugeführter Luft (verbrannter Massenanteil = 0) in Rohr 520 stromaufwärts des verengten Teils 523. Wie in 5b ausführlich dargestellt, hat der Coandă-basierte Strom in etwa in der Mitte des verengten Teils 523 einen wesentlichen Teil der zentralen Strömung und der Kernströmung des rückgeführten Gases nach außen in Richtung der Rohrwände gezogen. In diesem Beispiel wurde nur eine kurze Entfernung stromabwärts von dem Abgaszuführungspunkt zu dem Teil des zentralen Abgasstroms, der nach wie vor vollständig aus Abgas besteht (verbrannter Massenanteil = 1,0), auf etwa 60 % des Durchmessers des Rohrs reduziert, wobei über 40 % der Rohrbreite unterschiedliche Grade von Abgas-Frischluftgemischen enthalten. Wie in 5a gezeigt, ist die Mischung zu dem Zeitpunkt, an dem die Gasströme das Ende des divergierenden Teils des Rohrs erreichen, beinahe vollständig gleichmäßig entlang der Breite des Rohrs verteilt, wenn sie in Richtung des Ausgangs 508 strömt.
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Während des Betriebs des internen Verbrennungsmotors kann die Abgasrückführverstärkungsvorrichtung in einer im Allgemeinen autonomen Weise betrieben werden, wobei der beschleunigte Frischluftstrom mit verringertem Druck selbst in Gegenwart eines ungünstigen Druckverhältnisses dabei hilft, Abgas aus der Abgasrückführleitung zu ziehen. Die Abgasrückführanordnung kann ferner in Verbindung mit zusätzlichen Fahrzeugkomponenten betrieben werden, beispielsweise einer mechatronischen Motorbremse, einem Abgasturbolader mit variabler Geometrie, einem Stromregelventil für die AGR-Leitung und einem Druckluftzufuhrförderungssystem (PBS-System nach engl. „pressurized air injection boost system“), um die Rate und den Zeitpunkt der Zufuhr des rückgeführten Abgases in den Frischluftstrom schneller und/oder präziser zu steuern. Zum Beispiel führt eine dem Fahrzeugmotor zugeordnete elektronische Steuereinheit (ECU nach engl. „electronic control unit“) ein Steuerungsprogramm aus, in dem eine Vielzahl von Sensoreingängen wie beispielsweise die Drehmomentanforderung des Motors, die Geschwindigkeit des Motors, die Abgastemperatur, der Massendurchsatz der zugeführten Luft, der Druck und/oder die Temperatur, die Position für die Steuervorrichtung des Abgasstroms, der Betriebszustand für die Abgasbehandlungsvorrichtung (z. B. Regenerationsbedarf), der Sensor für den Sauerstoffgehalt des Abgases, die Position der Drosselklappe für die Frischluftzuführung usw. verwendet werden, um eine Zielrate für den Abgasrückführstrom in dem Frischluftansaugkrümmer des Motors zu definieren und die Aktivierung der unterschiedlichen Steuervorrichtungen in dem Zuführ- und dem Abgassystem wird verwendet, um die Zielmenge des rückgeführten Abgases bereitzustellen, um Emissionen bei dem aktuellen Verbrennungszyklus zu optimieren. Der AGR-Strom kann iterativ mittels Regelkreisüberwachung der Abgasemissionen (beispielsweise durch einen Abgasauerstoffsensor) verfeinert werden, um die Konzentration des rückgeführten Abgases auf einem Niveau zu halten, das Emissionen verringert.
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Mit einem Prozessor mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit kann die ECU in der Lage sein, den AGR-Fluss präventiv zu erhöhen, um auf eine erwartete Steigerung der Drehmomentanforderung zu reagieren, um Emissionsziele schneller zu erfüllen. Zum Beispiel kann das System die Systembetätigungselemente so bedienen, dass in Reaktion auf den Erhalt einer plötzlichen Steigerung der Drehmomentanforderung, die über das Gaspedal des Fahrers signalisiert wird, der Abgasstrom erhöht wird, anstatt darauf zu warten, dass die ECU eine Veränderung der Abgassauerstoffkonzentration feststellt, oder es kann in Erwartung einer Steigerung der Drehmomentanforderung auf Grundlage einer Eingabe von einem GPS-Gerät, das eine bevorstehende Straßenneigung signalisiert, die Betätigungselemente bedienen.
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Die vorstehende Offenbarung wurde ausschließlich zur Darstellung der Erfindung dargelegt und ist nicht als Einschränkung zu verstehen. Zum Beispiel wären, obwohl sich die vorstehende Offenbarung auf die Abgasrückführleitung bezieht, bei der der Ausgangsbereich in Pitotröhrenform gefertigt ist, andere Konfigurationen, die für eine erhöhte Abgasgewinnung aus der AGR-Leitung geeignet sind, ebenso annehmbar. Es wird darüber hinaus eine große Anzahl alternativer Ausführungsformen vorgesehen, die das Anpassen der AGR-Zuführanordnungen dahingehend ermöglichen, dass sie sowohl zu den individuellen Motor- und/oder Fahrzeuganordnungen passen als auch zu der individuellen Spezifikation der Fahrzeugausrüstung passen wie beispielsweise der An- oder Abwesenheit eines abgasgegendruckerzeugenden Ventils stromabwärts in der Abgasleitung, um den Druckunterschied zwischen dem Abgas- und dem Ansaugkrümmer zu verstärken oder zu verändern. Zum Beispiel kann eine geringere strombeschränkende Anordnung mit Venturi-/Coandă-Effekt in der Zuführung bereitgestellt werden, welche, während sie für sich allein genommen nicht ausreichend ist, um alle gewünschten AGR-Zuführstrommodelle abzudecken, nichtsdestotrotz mit einem mechanischen Motorbremsventil kombiniert werden kann, um einen ausreichenden AGR-Strom in allen möglichen Betriebszuständen bereitzustellen, wodurch die Durchflussbegrenzung sowohl im Ansaug- als auch im Abgaskrümmer verringert wird, während die gewünschte AGR-Vermischung und eine Vergrößerung der Abgasemissionen erzielt wird. Alternative Konfigurationen können die Integration der Abgasrückführung und des Venturi-Abschnitts in ein integriertes Element für die Frischluftzuführung zum Verringern des Platzbedarfs des Systems und zum Ermöglichen eines einfachen Einbaus in neue Motorkonstruktionen und/oder das Nachrüsten älterer Fahrzeuge mit der vorliegenden Erfindung umfassen. Ein solches Element kann ferner eine Zufuhrdrosselklappe und/oder eine Druckluftzuführvorrichtung mit Pneumatikförderungssystem (PBS nach engl. „pneumatic boost system“) umfassen, wie schematisch durch die gestrichelte Linie in 2a dargestellt, in der das integrierte Element 260 bezeichnet ist. Da einem Fachmann derartige Änderungen der offenbarten Ausführungsformen, die den Geist und das Wesen der Erfindung beinhalten, in den Sinn kommen können, ist diese Erfindung so auszulegen, dass sie alles umfasst, worauf sich der Geltungsbereich der beigefügten Patentansprüche und ihrer Äquivalente erstreckt.
