DE19541362C1 - Exhaust gas feedback system for turbocharged diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine externe Abgasrückführung bei einem mehrzylindrigen Dieselmotor mit Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an external exhaust gas recirculation in a multi-cylinder Diesel engine with exhaust gas turbocharger, according to the preamble of claim 1.
Eine Abgasrückführung dieser Art ist durch die EP 0 596 855 A1 bekannt. Dort wird ein Teil der Verbrennungsabgase über eine Rückführleitung von der Abgasleitung des Motors zu dessen Ansaugseite zurückgeführt. Weil der Einsatz einer Abgasrückführung primär auf die Minderung der NOx-Emission durch Verringerung der Verbrennungstemperatur abzielt, ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der durch zusätzliches Kühlen des rückgeführten Abgasstroms die NOx-Reduktion verbessert. Neben den Stickoxiden enthält der Abgasstrom von Dieselmotoren unter bestimmten Betriebsbedingungen zusätzlich eine hohe Konzentration an Rußpartikeln, die in Folge unvollständigen Verbrennens des Kraftstoffs entstehen und zu Beschädigungen des Zylinderraumes führen. Eine vom rückgeführten Abgasstrom durchströmte Abgaseinrichtung schafft hier Abhilfe.An exhaust gas recirculation of this type is known from EP 0 596 855 A1. There, part of the combustion exhaust gases is returned via a return line from the engine's exhaust line to its intake side. Because the use of exhaust gas recirculation primarily aims to reduce NO x emissions by lowering the combustion temperature, a heat exchanger is provided that improves the NO x reduction by additionally cooling the recirculated exhaust gas flow. In addition to the nitrogen oxides, the exhaust gas flow from diesel engines also contains a high concentration of soot particles under certain operating conditions, which result from incomplete combustion of the fuel and lead to damage to the cylinder chamber. An exhaust device through which the recirculated exhaust gas flow flows provides a remedy here.
Hierzu ist es beispielsweise bekannt, in der Abgasrückführleitung ein Partikelfilter anzuordnen. Allerdings besteht bei einem solchen Partikelfilter die Gefahr, daß es sich durch im rückgeführten Abgasstrom mitgeführten Verunreinigungen zusetzt und verstopft. Dadurch wäre die Abgasrückführung blockiert. Aus diesem Grund müssen reaktivierbare bzw. regenerierbare Filter verwendet werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Doch auch beim Einsatz regenerierbarer Filter können sich in der Rückführleitung Gegendrücke aufbauen, die sich negativ auf den Motorbetrieb auswirken.For this purpose, it is known, for example, to have a particle filter in the exhaust gas recirculation line to arrange. However, with such a particle filter there is a risk that it by clogged contaminants in the recirculated exhaust gas flow and blocked. This would block the exhaust gas recirculation. For this reason, reactivable or regenerable filters are used, which is associated with considerable effort. However, even when using regenerable filters, there can be in the return line Build back pressures that have a negative impact on engine operation.
Besonders bei aufgeladenen Dieselmotoren wirken sich durch ein Rußfilter bedingte Strömungswiderstandsänderungen nachteilig aus. Bei diesen Motoren liegen bereits aufgrund der Turboladercharakteristik in Betriebspunkten nahe dem Drehmomentmaximum des Motors die mittleren Drücke auf der Einlaßseite deutlich über denen in der Abgassammelleitung vor der Abgasturbine. Wegen dieser Druckunterschiede ist es nicht möglich, den Abgasrückführmengenstrom über den gesamten Betriebsbereich des Motors zu regeln. Zur Überwindung dieser in diesen Lastbereichen ungünstigen Druckverhältnisse für eine NOx-Verringerung wird in der DE 43 19 380 A1 vorgeschlagen, in der Ladeluftleitung eine Düse-Diffusoreinheit vorzusehen, bei der der Abgasstrom über eine Venturi-Düse der einströmenden Ladeluft zugeführt wird. Da jedoch die Druckabsenkung unter anderem auch vom Massendurchsatz durch das System abhängt, ist zusätzlich ein Steuerventil zur Regelung der Abgasrückführmenge erforderlich. Dadurch wird die Abgasrückführung aufwendig. Eine Partikelabsonderung aus dem rückgeführten Abgasteilvolumen findet nicht statt. Als nachteilige Folge hiervon verschmutzen im rückgeführten Abgas enthaltene Rußpartikel den Abgaskühler und die Düse-Diffusoreinheit.Particularly in the case of supercharged diesel engines, changes in flow resistance caused by a soot filter have a disadvantageous effect. With these engines, due to the turbocharger characteristics at operating points near the engine's maximum torque, the mean pressures on the intake side are significantly higher than those in the exhaust manifold in front of the exhaust gas turbine. Because of these pressure differences, it is not possible to regulate the exhaust gas recirculation volume flow over the entire operating range of the engine. In order to overcome these unfavorable pressure conditions for NO x reduction in these load ranges, it is proposed in DE 43 19 380 A1 to provide a nozzle-diffuser unit in the charge air line, in which the exhaust gas flow is supplied to the incoming charge air via a venturi nozzle. However, since the reduction in pressure also depends, among other things, on the mass flow rate through the system, a control valve for regulating the exhaust gas recirculation quantity is additionally required. This makes exhaust gas recirculation expensive. A particle separation from the recirculated exhaust gas volume does not take place. As a disadvantageous consequence, soot particles contained in the recirculated exhaust gas contaminate the exhaust gas cooler and the nozzle diffuser unit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasrückführung derart weiterzubilden, daß eine weitgehend partikelfreie Rückführung von Abgas über den gesamten Betriebsbereich eines Dieselmotors mit einfachen Mitteln kostengünstig und zuverlässig möglich ist.The invention has for its object an exhaust gas recirculation to further develop such that a largely particle-free return of Exhaust gas over the entire operating range of a diesel engine with simple means is possible inexpensively and reliably.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is performed in a generic device by characterizing features of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie zweckmäßige Anordnungen zur Durchführung der Abgasrückführung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.Advantageous configurations as well expedient arrangements for carrying out the exhaust gas recirculation are the rest Claims.
Erfindungsgemäß wird das Abgas aus dem umkapselten Zwischenraum zwischen der als Staurohr ausgebildeten Heißgasleitung und dem gasdichten äußeren Gehäuse der Abgassammelleitung entnommen und rückgeleitet. Somit wird das Abgas aus einer Zone mit sehr geringen Gasgeschwindigkeiten entnommen, in der aufgrund der konstruktiv in der Abgassammelleitung vorgesehenen Abgasströmungsführung der Partikelanteil sehr gering ist. Gleichwohl befindet sich das entnommene Abgas auf dem jeweils in der Abgassammelleitung herrschenden Staudruckniveau und kann ohne zusätzlichen Verdichtungsaufwand rückgeleitet werden. Da der Brennraum auslaßseitig strömungsmechanisch mit der Heißgasleitung verbunden ist, wird der heiße Abgasstrom und die in diesem enthaltenen und mit ihm transportierten Rußpartikel an dem Zwischenraum vorbei in die Heißgasleitung geleitet. Die Heißgasleitung und der Zwischenraum sind nicht gegenseitig abgedichtet, so daß sich in diesem Zwischenraum und in der Heißgasleitung annähernd die gleichen Staudruckverhältnisse einstellen. Wesentlich ist, daß nahezu die gesamten Rußpartikel mit in die Heißgasleitung getragen werden und aufgrund der dargestellten Strömungsverhältnisse nicht in den Zwischenraum zwischen der Heißgasleitung und dem äußeren Gehäuse gelangen.According to the invention, the exhaust gas from the encapsulated space between the as Pitot tube formed hot gas line and the gas-tight outer housing of the Exhaust manifold removed and returned. Thus, the exhaust gas from one zone taken with very low gas velocities, in which due to the design in the Exhaust gas manifold provided exhaust gas flow guidance, the particle content is very low is. Nevertheless, the exhaust gas removed is located on the in each case Exhaust manifold prevailing dynamic pressure level and can without additional Compaction effort can be returned. Since the combustion chamber on the exhaust side is fluid mechanically connected to the hot gas line, the hot exhaust gas flow and the soot particles contained in and transported with it at the intermediate space passed into the hot gas line. The hot gas line and the gap are not mutually sealed, so that in this space and in the hot gas line set approximately the same dynamic pressure ratios. It is essential that almost the entire soot particles are carried into the hot gas line and due to the shown flow conditions not in the space between the Hot gas pipe and the outer housing.
Die konstruktive Ausbildung von gekapselten Abgassammelleitungen wird also erfindungsgemäß eingesetzt, um druckbeaufschlagtes Abgas ohne störende Konzentration an Rußpartikeln abzuzweigen. Damit wird der Vorteil erreicht, daß ohne zusätzliche Reinigung bzw. Filtrierung nahezu partikelfreies Abgas rückgeführt werden kann.The constructive design of encapsulated exhaust manifolds is therefore used according to the invention to pressurized exhaust gas without disturbing concentration to branch off soot particles. This has the advantage that without additional Purification or filtration of almost particle-free exhaust gas can be recycled.
Das Druckgefälle zwischen dem in der Abgassammelleitung vorherrschenden Druck und den Druckverhältnissen an der Stelle der Einleitung des rückgeführten Abgasstroms in die Ladeluft ist in bekannter Weise die treibende Kraft der Abgasrezirkulationsströmung. Das partikelfreie Abgas folgt dem Druckgefälle in der Rückführleitung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abgasstrom mit Hilfe einer Ventil-Einrichtung, die an einer Bohrung am Zylinder angeordnet ist geregelt in den Brennraum rückgeführt. Insbesondere wird der Abgasstrom dabei nicht in die sich auf Ladeluftdruckniveau befindliche Frischluft eingeleitet, sondern unmittelbar in den Brennraum. Dadurch werden ungünstige Gegendruckverhältnisse, wie sie beispielsweise bei Lastabwurf auftreten können, von vorneherein eliminiert.The pressure drop between the pressure prevailing in the exhaust manifold and the pressure conditions at the point of introduction of the recirculated exhaust gas flow into the Charge air is the driving force of the exhaust gas recirculation flow in a known manner. The Particle-free exhaust gas follows the pressure drop in the return line. In a preferred one Embodiment is the exhaust gas flow with the help of a valve device, which at a The bore on the cylinder is controlled and returned to the combustion chamber. Especially the exhaust gas flow is not in the fresh air at the charge air pressure level initiated, but directly into the combustion chamber. This will make them unfavorable Back pressure conditions, such as those that can occur during load shedding, from eliminated beforehand.
Das Einleiten von rückgeführtem Abgas in den Brennraum zeitlich auf den Bereich der Kolbenabwärtsbewegung ausgeregelt. Dazu wird das Abgasventil mittels geeigneter Regeleinrichtung derart betätigt, daß es während des Ansaugtaktes zum Zeitpunkt, wenn der Kolben seine maximale Abwärtsgeschwindigkeit hat, voll geöffnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist unter sämtlichen Betriebsbedingungen des Motors der Zylinderinnendruck kleiner als der Abgasdruck in der Abgassammelleitung.The introduction of recirculated exhaust gas into the combustion chamber in the time range Fixed downward piston movement. For this purpose, the exhaust valve is used by means of Control device operated so that it is during the intake stroke at the time when the piston has its maximum downward speed, is fully open. To this The time is the cylinder internal pressure under all operating conditions of the engine less than the exhaust gas pressure in the exhaust manifold.
Besonders bei einer zylinderindividuellen Abgasrückführung und der dazu für jeden Zylinder vorgesehenen separaten Rückführleitung, kann diese gegenüber herkömmlichen Rückführleitungen bedeutend kleiner dimensioniert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Volumen der Rückführleitung speziell auf das Maß der maximal in den Zylinder zurückzuführenden Abgasmenge reduziert. Dadurch verringert sich die Verschiebeleistung, die bei geöffnetem Abgasventil zur Einbringung des Abgases in den Brennraum erforderlich ist. Die vorgenommene Bemessung des Rückführleitungsvolumens ist ferner, bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, gleichzeitig Teil einer einfachen und effizienten Abgaskühlung. Durch die vorgenommene Volumendimensionierung muß lediglich das während eines Arbeitsspiels in den Brennraum zurückzuführende geringe Abgasteilvolumen abgekühlt werden. Hierbei reichen bereits einfache Mittel, wie Obenflächenvergrößerung der Rückführleitung in Form von Kühlrippen aus. Für den Wärmeabtransport steht der Zeitraum zwischen zwei Arbeitsspielen zur Verfügung. Diese Zeitdauer ist ausreichend, da bedingt durch die zylinderindividuelle Abgasrückführung einerseits die Abgasteilmenge grundsätzlich relativ klein ist und andererseits praktisch nicht ständig die maximal zurückzuführende Abgasteilmenge, sondern wiederum nur die tatsächlich pro Arbeitsspiel in den Zylinder rückgeführte Abgasmenge gekühlt werden muß.Especially with a cylinder-specific exhaust gas recirculation and that for each cylinder provided separate return line, this can be compared to conventional Return lines can be dimensioned significantly smaller. In a preferred one Embodiment is the volume of the return line specifically to the measure of the maximum in reduced the amount of exhaust gas to be returned to the cylinder. This reduces the Displacement, which with the exhaust valve open to introduce the exhaust gas into the Combustion chamber is required. The dimensioning of the return line volume is also, in a further preferred embodiment, at the same time part of a simple one and efficient exhaust gas cooling. Due to the volume dimensioning made only the small amount that can be returned to the combustion chamber during a work cycle Exhaust gas volume to be cooled. Simple means such as Larger surface area of the return line in the form of cooling fins. For the The time between two work cycles is available to remove heat. This The time is sufficient because of the cylinder-specific exhaust gas recirculation on the one hand the partial exhaust gas quantity is generally relatively small and on the other hand practically not constantly the maximum exhaust gas partial quantity to be returned, but again only that actually exhaust gas quantity recirculated into the cylinder must be cooled per work cycle.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the single figure of the drawing and is described in more detail below.
Dabei zeigt die schematische Darstellung exemplarisch einen Zylinder 3 eines nicht näher dargestellten mehrzylinderigen Dieselmotors und eine gekapselte Abgassammelleitung 2, die beide über eine Rückführleitung 1 vorrichtungsmäßig miteinander verbunden sind. Die abgasleitende Verbindung zwischen Abgassammelleitung 2 und dem Zylinder 3 bzw. dem Brennraum 4 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer separaten Einrichtung 7, 13 regelbar. Dazu wird ein Ventil 14 mittels eines Aktors 15 der Einrichtung 13 entsprechend der gewünschten Regelzustände von einer Regeleinheit 7, über eine Ansteuerleitung 10 betätigt. Die Regeleinheit 7 ist zur Erfassung der Eingangsgrößen über eine Winkelsignalleitung 8 mit einem Kurbelwinkel-Lagesensor 16 und über eine Staudrucksignalleitung 9 mit einem Staudruckaufnehmer 17 verbunden.The schematic illustration shows an example of a cylinder 3 of a multi-cylinder diesel engine (not shown in more detail) and an encapsulated exhaust manifold 2 , both of which are connected to one another in terms of device via a return line 1 . The exhaust gas-conducting connection between the exhaust manifold 2 and the cylinder 3 or the combustion chamber 4 can be regulated in the exemplary embodiment described here with the aid of a separate device 7 , 13 . For this purpose, a valve 14 is actuated by an actuator 15 of the device 13 in accordance with the desired control states by a control unit 7 , via a control line 10 . The control unit 7 is connected for detecting the input values over an angular signal line 8 to a crank angle position sensor 16 and a back pressure signal line 9 with a Staudruckaufnehmer 17th
Die Abgassammelleitung 2 ist als Heißgasleitung 11 mit einem doppelwandigen, wassergekühlten äußeren Gehäuse 12 dargestellt. Zwischen der als Staurohr dienenden Heißgasleitung 11 und dem vollumfänglich vorgesehenen äußeren Gehäuse 12 ist ein Zwischenraum 18 ausgebildet, der wärmeisolierend wirkt. Je nach Motortyp können auch zwei oder mehrere abgasführende Heißgasleitungen 11 gemeinsam innerhalb eines äußeren Gehäuses 12 angeordnet sein. Bei all diesen möglichen Ausführungsformen, bei denen abgasführende Bauteile innerhalb einer wassergekühlten Ummantelung, dem äußeren Gehäuse 12, angeordnet sind, hält die Abgassammelleitung 2 Energieverluste durch Wärmeabstrahlungen und Konfektion der heißen Abgase sowie die Außenwandtemperatur der Abgassammelleitung 2 sehr niedrig. Das äußere Gehäuse 12 ist abgasdicht ausgeführt und an den Zylinderkopf 6 angebaut. Anschlußrohre (nicht dargestellt) leiten das Abgas jeweils von den Zylinderauslässen des Zylinderkopfs 6 in die Heißgasleitung 11. Dazu sind die Anschlußrohre und die Heißgasleitung 11 aus ineinandergesteckten Rohrstücken zusammengesetzt.The exhaust manifold 2 is shown as a hot gas line 11 with a double-walled, water-cooled outer housing 12 . An intermediate space 18 is formed between the hot gas line 11 serving as a pitot tube and the outer casing 12 provided in its entirety, which acts as a heat insulator. Depending on the engine type, two or more exhaust gas-carrying hot gas lines 11 can also be arranged together within an outer housing 12 . In all of these possible embodiments, in which exhaust gas-carrying components are arranged within a water-cooled casing, the outer housing 12 , the exhaust manifold 2 keeps energy losses due to heat radiation and assembly of the hot exhaust gases as well as the outer wall temperature of the exhaust manifold 2 very low. The outer housing 12 is made gas-tight and attached to the cylinder head 6 . Connection pipes (not shown) each lead the exhaust gas from the cylinder outlets of the cylinder head 6 into the hot gas line 11 . For this purpose, the connecting pipes and the hot gas line 11 are composed of nested pipe sections.
Zur Abzweigung des Abgases aus dem Zwischenraum 18 ist in dem äußeren Gehäuse 12 jeweils im Bereich des zugeordneten Zylinders 3 eine Entnahmebohrung 19 ausgebildet. An diese Öffnung ist am Außenumfang des äußeren Gehäuses 12 die Rückführleitung angeflanscht. Die Rückführleitung 1 steht somit ständig in leitender Verbindung mit dem Zwischenraum 18. Das Volumen der Rückführleitung im Bereich zwischen der Anflanschstelle an der Abgassammelleitung 2 und dem Ventil 14 entspricht dem maximal in einen Zylinder zurückzuführenden Abgasvolumen. Zur Kühlung dieses Abgasteilvolumens kann die Rückführleitung 1 ebenso wie die Abgassammelleitung 2 innerhalb eines wassergekühlten Gehäuses (nicht dargestellt) angeordnet sein. Aufgrund des geringen Abgasteilvolumens in der Rückführleitung 1, der Abgasentnahme aus unmittelbarer Nähe zum wassergekühlten Gehäuse und der relativ großen Leitungsoberfläche ist es allerdings bereits ausreichend, wenn eine Oberflächenvergrößerung in Form von Kühlrippen 20 vorgesehen ist.To branch off the exhaust gas from the intermediate space 18 , a removal bore 19 is formed in the outer housing 12 in the area of the associated cylinder 3 . The return line is flanged to this opening on the outer circumference of the outer housing 12 . The return line 1 is thus in constant communication with the intermediate space 18 . The volume of the return line in the area between the flange point on the exhaust manifold 2 and the valve 14 corresponds to the maximum exhaust gas volume to be returned to a cylinder. To cool this partial exhaust gas volume, the return line 1 , like the exhaust gas collecting line 2, can be arranged within a water-cooled housing (not shown). Due to the small exhaust gas volume in the return line 1 , the exhaust gas removal from the immediate vicinity of the water-cooled housing and the relatively large surface area of the line, it is already sufficient if a surface enlargement in the form of cooling fins 20 is provided.
Zylinderseitig ist die Rückführleitung 1 leitend mit einer Bohrung 5 einer bereits am Zylinder vorgesehenen Dekompressionseinrichtung verbunden. Anstelle der Dekompressionsbohrung kann die Rückführleitung 1 ebenso an eine Bohrung für eine Luftstartanlage oder für Nachladeeinrichtungen anschließen. Derartige Hilfseinrichtungen sind üblicherweise ohnehin an Zylinderköpfen von mittelschnellaufenden aufgeladenen Dieselmotoren vorgesehen. Hierbei ist es jedoch wesentlich, daß diese Bohrung 5 zusätzlich zu den Öffnungen oder Bohrungen der Einlaß- bzw. Auslaßgaswechselventile im Zylinderkopf ausgebildet ist. Nur so ist eine vom Ladungswechsel unabhängige Zuführung des Abgases sichergestellt. Im Bereich der Bohrung 5 ist ein Ventilsitz für das Ventil 14 einer Ventileinrichtung 13 ausgebildet. Das Ventil 14 ist motorisch betätigbar und mit einem elektromagnetischen Steuerantrieb ausgestattet. An dessen Stelle kann jedoch auch ein mechanisch variabler-, pneumatischer- oder hydraulischer Steuerantrieb zum Einsatz kommen. Gesteuert wird das Ventil 14 in Abhängigkeit von der Steuervorgabe der Regeleinheit 7, welches dadurch den Abgasteilvolumenstrom aus der Rückführleitung 1 in den Brennraum 4 des Zylinders 3 bestimmt.On the cylinder side, the return line 1 is conductively connected to a bore 5 of a decompression device already provided on the cylinder. Instead of the decompression bore, the return line 1 can also connect to a bore for an air starting system or for reloading devices. Such auxiliary devices are usually provided anyway on cylinder heads of medium-speed supercharged diesel engines. However, it is essential that this bore 5 is formed in addition to the openings or bores of the intake and exhaust gas exchange valves in the cylinder head. This is the only way to ensure that the exhaust gas is supplied independently of the gas exchange. A valve seat for the valve 14 of a valve device 13 is formed in the region of the bore 5 . The valve 14 can be actuated by a motor and is equipped with an electromagnetic control drive. In its place, however, a mechanically variable, pneumatic or hydraulic control drive can also be used. The valve 14 is controlled as a function of the control specification of the control unit 7 , which thereby determines the exhaust gas partial volume flow from the return line 1 into the combustion chamber 4 of the cylinder 3 .
Anschließend wird die Funktionsweise der zuvor aufgezeigten Einrichtung zur externen Abgasrückführung beschrieben. Die Abgasrückführung erfolgt dabei zylinderindividuell, weshalb sich der nun beschriebene Funktionsablauf auf die Rückführung eines Abgasteilvolumens aus der Abgassammelleitung 2 in den Brennraum 4 eines Zylinders 3 bezieht und zeitlich auf den Bereich zwischen zwei Arbeitsspielen des selben Zylinders 3 begrenzt ist.The mode of operation of the previously shown device for external exhaust gas recirculation is then described. The exhaust gas recirculation takes place individually for the cylinder, which is why the function sequence now described relates to the return of a partial exhaust gas volume from the exhaust gas manifold 2 into the combustion chamber 4 of a cylinder 3 and is limited in time to the area between two working cycles of the same cylinder 3 .
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die einsetzende Kolbenhubbewegung während eines Kompressionstaktes des Zylinders 3. Im Regelfall sind dann die Gaswechselventile des Zylinders 3 geschlossen; Ventil 14 ist zwingend geschlossen. Währenddessen puffen ein oder mehrere Zylinder 3 des Dieselmotors in die Abgassammelleitung 1 aus. Über die Undichtigkeiten in den Steckverbindungen der Heißgasleitung 11 tritt Abgas in den Zwischenraum 18 aus. Dadurch baut sich in diesem Zwischenraum 18 ein Druck auf, der etwa dem mittleren Druck des Abgases vor der Turbine (nicht dargestellt) entspricht. Dieses staudruckbeaufschlagte Abgasvolumen im Zwischenraum 18 steht somit ohne weiteren Verdichtungsaufwand zur Abgasrückführung zur Verfügung. Aufgrund der strömungsmechanisch vorgesehenen Abgasführung innerhalb der Abgassammelleitung 1 und den geringen Öffnungsquerschnitten der Undichtigkeiten in den Steckverbindungen der Heißgasleitung 11 sind die Gasgeschwindigkeiten im Zwischenraum 18 sehr niedrig und der Rußpartikelanteil des sich darin befindenden Abgases verschwindend gering. Der Übertritt des Abgases aus der Heißgasleitung 11 in den Zwischenraum 18 innerhalb des äußeren Gehäuses 12 kann durch zusätzlich im Abgasströmungsschatten ausgebildete Bohrungen in der Heißgasleitung 11 unterstützt sein. Dementsprechende Bauformen von gekapselten Abgassammelleitungen sind bekannt.The starting point of the description is the onset of the piston stroke movement during a compression stroke of the cylinder 3 . As a rule, the gas exchange valves of cylinder 3 are then closed; Valve 14 is closed. Meanwhile, one or more cylinders 3 of the diesel engine puff into the exhaust manifold 1 . Exhaust gas escapes into the intermediate space 18 via the leaks in the plug connections of the hot gas line 11 . As a result, a pressure builds up in this intermediate space 18 , which corresponds approximately to the mean pressure of the exhaust gas upstream of the turbine (not shown). This back pressure-pressurized exhaust gas volume in the intermediate space 18 is thus available for exhaust gas recirculation without any further compression effort. Due to the flow mechanically provided exhaust gas routing within the exhaust manifold 1 and the small opening cross sections of the leaks in the plug connections of the hot gas line 11 , the gas speeds in the intermediate space 18 are very low and the soot particle proportion of the exhaust gas located therein is negligible. The passage of the exhaust gas from the hot gas line 11 into the intermediate space 18 within the outer housing 12 can be supported by bores in the hot gas line 11 additionally formed in the exhaust gas flow shadow. Corresponding designs of encapsulated exhaust manifolds are known.
Über die Entnahmebohrung 19 sind der Zwischenraum 18 und die Abgasrückführleitung leitend miteinander verbunden. Folglich ist das Gesamtvolumen der Abgasleitung 1 bis hin zum Ventil 14 ebenfalls mit Abgas gefüllt und vom Abgasstaudruck beaufschlagt.The space 18 and the exhaust gas recirculation line are conductively connected to one another via the removal bore 19 . Consequently, the total volume of the exhaust gas line 1 up to the valve 14 is also filled with exhaust gas and acted upon by the exhaust gas back pressure.
Das quasi in der Abgasrückführleitung 1 vorportionierte Abgasteilvolumen verbleibt so in der Zeit zwischen zwei Abgasrückführphasen bzw. Ansaugtakten des Zylinders 3 als statische Abgassäule in der Rückführleitung 1. Während dieser Zeit findet ein Wärmeaustausch zwischen der heißen Abgassäule über die Rückführleitung 1 an die Umgebung statt. Aufgrund der verhältnismäßig großen Oberfläche der Rückführleitung 1 und der kleinen auf das zylinderindividuell pro Ladungswechsel rückzuführende Volumen reduzierten Abgasteilmenge, wird ausreichend Wärme abgegeben, um das Abgas wirkungsvoll abzukühlen. Zur Verstärkung des Kühleffekts und der Konvektionsfläche sind an der Außenoberfläche der Rückführleitung 1 zusätzlich Kühlrippen 20 ausgebildet. Anstelle der Kühlrippen 20 kann die Rückführleitung 1 auch von einem Wasserkühlmantel umgeben sein, der jeweils mit der Wasserummantelung des äußeren Gehäuses 12 in Verbindung steht.The partial volume of exhaust gas quasi pre-portioned in the exhaust gas recirculation line 1 thus remains in the return line 1 as a static exhaust gas column in the time between two exhaust gas recirculation phases or intake cycles of the cylinder 3 . During this time, heat is exchanged between the hot exhaust gas column via the return line 1 to the environment. Due to the relatively large surface area of the return line 1 and the small amount of exhaust gas that is reduced to the cylinder-specific volume per charge change, sufficient heat is emitted to cool the exhaust gas effectively. In order to reinforce the cooling effect and the convection surface, cooling fins 20 are additionally formed on the outer surface of the return line 1 . Instead of the cooling fins 20 , the return line 1 can also be surrounded by a water cooling jacket, which is in each case connected to the water jacket of the outer housing 12 .
Die Abgasabkühlphase endet mit Öffnen des Ventils 14. Dazu erhält der Aktuator 14 der Ventileinrichtung 13 ein entsprechendes Steuersignal von der Steuereinheit 7. Unabhängig von der Art der Ventilbetätigung löst der Steuerimpuls jeweils das Öffnen bzw. Schließen des Ventils 14 aus. Die Abgasrückführung in den Brennraum 4 wird dadurch in die Phase des Ansaugtaktes gelegt. Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet die Möglichkeit, das Abgas während des Ansaugtaktes bereits vor dem Öffnen des Einlaßventils in den Brennraum einzuleiten, um so die Phase des niedrigen Brennrauminnendrucks für die Abgasrückführung einzusetzen. Grundsätzlich ist vorgesehen, daß das Abgaszuführventil 14 zumindest dann voll geöffnet ist, wenn der Kolben 21 während seiner Abwärtsbewegung maximale Geschwindigkeit hat. In dieser Betriebsphase ist der Zylinderinnendruck unabhängig von dem momentan ausgeregelten Ladeluftdruck kleiner als der Abgasdruck im Zwischenraum 18 der Abgassammelleitung 2. Bei geöffnetem Ventil 14 strömt das vorgesehene Abgasteilvolumen infolge des während dieser Phase anliegenden Druckgefälles zwischen Brennraum 4 und Zwischenraum 18 in den Brennraum. Gleichzeitig strömt ein der eingeleiteten Menge entsprechendes Abgasvolumen in die Rückführleitung 1 nach. Die Bemessung des Abgasteilvolumens steuert die Regeleinrichtung 7 in Abhängigkeit der Kurbelstellung 16 und des Staudrucksignals des Staudruckaufnehmers 17 über entsprechend früheres Öffnen oder späteres Schließen des Ventils 14. Nach Schließen des Ventils 14 ruht das nachgeströmte Abgasteilvolumen wieder in der Rückführleitung 1 und kann so während der relativ langen Phase zwischen zwei Ansaugphasen des jeweiligen Zylinders in der beschriebenen Weise gekühlt werden.The exhaust gas cooling phase ends when valve 14 opens. For this purpose, the actuator 14 of the valve device 13 receives a corresponding control signal from the control unit 7 . Regardless of the type of valve actuation, the control pulse triggers the opening or closing of the valve 14 . The exhaust gas recirculation in the combustion chamber 4 is thereby placed in the phase of the intake stroke. The device according to the invention offers the possibility of introducing the exhaust gas into the combustion chamber during the intake stroke before opening the inlet valve, in order to use the phase of the low internal combustion chamber pressure for the exhaust gas recirculation. Basically, it is provided that the exhaust gas supply valve 14 is at least fully opened when the piston 21 has maximum speed during its downward movement. In this operating phase, the internal cylinder pressure is less than the exhaust gas pressure in the space 18 of the exhaust gas manifold 2, regardless of the charge air pressure that is currently regulated. When the valve 14 is open, the intended partial exhaust gas volume flows into the combustion chamber as a result of the pressure drop between the combustion chamber 4 and the intermediate space 18 during this phase. At the same time, an exhaust gas volume corresponding to the introduced quantity flows into the return line 1 . The dimensioning of the partial exhaust gas volume is controlled by the control device 7 as a function of the crank position 16 and the dynamic pressure signal of the dynamic pressure transducer 17 by correspondingly opening or closing the valve 14 earlier. After the valve 14 is closed, the exhaust gas volume which has flowed in again rests in the return line 1 and can thus be cooled in the manner described during the relatively long phase between two intake phases of the respective cylinder.
Neben der gezielten Mengendosierung des rückgeführten Abgases stellt die erfindungsgemäß vorgeschlagene zylinderindividuelle externe Abgasrückführung eine vorrichtungsgemäß besonders einfache Ausbildung zur externen Abgasrückführung bei aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen mit gekapselter Abgassammelleitung und einer separaten Zylinderkopfbohrung dar. Da ferner bei solchen Dieselmotoren, sowohl ein Kurbelwinkel-Lagesensor als auch ein Staudruckaufnehmer 17 bereits ohnehin zur kennfeldabhängigen Regelung des Motors vorhanden sind, kann die vorgeschlagene Einrichtung als modulartige Baugruppe an bestehenden aufgeladenen Dieselmotoren nachgerüstet werden.In addition to the specific amount of dosage of the recirculated exhaust gas, the inventively proposed cylinder-individual external exhaust gas recirculation apparatus according to particularly simple embodiment the external exhaust gas recirculation in supercharged diesel engine with a sealed exhaust manifold and a separate cylinder head bore. Since also in such diesel engines, both a crank angle position sensor as well as a Staudruckaufnehmer 17 Already available for map-dependent control of the engine anyway, the proposed device can be retrofitted as a modular assembly on existing supercharged diesel engines.
BezugszeichenlisteReference list
1 Rückführleitung
2 Abgassammelleitung
3 Zylinder
4 Brennraum
5 Bohrung
6 Zylinderkopf
7 Steuereinheit
8 Winkelsignalleitung
9 Staudrucksignalleitung
10 Ventilsignal
11 Heißgasleitung
12 äußeres Gehäuse
13 Ventileinrichtung
14 Ventil
15 Aktuator
16 KW-Lagesensor
17 Staudruckaufnehmer
18 Zwischenraum
19 Entnahmebohrung
20 Kühlrippen 1 return line
2 exhaust manifold
3 cylinders
4 combustion chamber
5 holes
6 cylinder head
7 control unit
8 angle signal line
9 dynamic pressure signal line
10 valve signal
11 hot gas line
12 outer housing
13 valve device
14 valve
15 actuator
16 KW position sensor
17 dynamic pressure transducers
18 space
19 extraction hole
20 cooling fins
Claims (10)
- - einer Abgassammelleitung, die Zylinderauslässe mit einer Abgasturbine des Turboladers verbindet,
- - mindestens einer von der Abgasleitung abzweigenden Abgasrückführleitung für einen Teilstrom der Abgase, die mit
- - einer den Abgasteilstrom bestimmenden Einrichtung verbunden ist und über diese in ladeluftführende Bauteile einmündet,
- an exhaust manifold connecting cylinder outlets to an exhaust gas turbine of the turbocharger,
- - At least one exhaust gas recirculation line branching off the exhaust gas line for a partial flow of the exhaust gases
- is connected to a device determining the exhaust gas partial flow and opens into charge air-carrying components via said device,
daß die Abgassammelleitung (2) mindestens eine innenliegende Heißgasleitung (11) umfaßt, die von einem gasdichten äußeren Gehäuse (12) umgeben ist, daß die Rückführleitung (1) von einem Zwischenraum (18) abzweigt, der zwischen Heißgasleitung (11) und äußerem Gehäuse (12) ausgebildet ist, und der in gas- und druckleitender Verbindung mit der Heißgasleitung (11) steht. characterized,
that the exhaust manifold ( 2 ) comprises at least one internal hot gas line ( 11 ) which is surrounded by a gas-tight outer housing ( 12 ), that the return line ( 1 ) branches off from an intermediate space ( 18 ) between the hot gas line ( 11 ) and the outer housing ( 12 ) is formed, and which is in gas and pressure conducting connection with the hot gas line ( 11 ).
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