DE19543290A1 - Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Verringerung der Anteile von Stickoxiden im Abgas ist die Maßnahme bekannt, je nach Last der Brennkraftmaschine einen Teil des Abgases extern vom Abgas- ins An­ saug- bzw. Ladeluftsystem zurückzuführen. Zur Steuerung der Rückführungsrate werden zwischen Abgassammelrohr und Ansaug- bzw. Ladeluftrohr Regelein­ richtungen vorgesehen. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist die Entnahme des Abgases am Abgassammelrohr und die Zug des Abgases nach Verdichter von Vorteil, da somit die Verschmutzung der Verdichterteile vermieden wird. Andererseits besteht das Problem, daß in weiten Kennfeldbereichen der Ladeluftdruck den Abgasdruck übersteigt und eine Abgasrückführung unterbindet. Dies geschieht z. B. bei mechanisch aufgeladenen Maschinen im gesamten Motorkennfeld sowie bei turboaufgeladenen Maschinen in den Betriebsbereichen, wo das sogenannte Spülgefälle, d. h. der Mittelwert der Differenz zwischen Ladeluftdruck und Abgasgegendruck vor der Abgasturbine, positiv ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen eine ausrei­ chende Abgasrückführung auf der Hochdruckseite im ganzen Kennfeld der Brenn­ kraftmaschine zu ermöglichen, mit minimaler Beeinflussung der Gaswechselarbeit in den Bereichen, in denen sonst der Ladeluftdruck den Abgasdruck übersteigt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.
Durch das Zusammenspiel von Drosselstelle und regelbarem Abgasventil läßt sich der Abgasgegendruck vor der Regeleinrichtung in allen Betriebszuständen so einstellen, daß der einzustellende Abgasdurchsatz in Richtung Ladeluftsystem strömt, wenn Ab­ gasrückführung gewünscht wird.
In den Kennfeldbereichen wo der Abgasgegendruck den Ladeluftdruck übersteigt, wird das Abgasventil geöffnet, wodurch sich die Ausschiebearbeit auf das Normalmaß re­ duziert.
In mehrzylindrigen Maschinen kann gemäß Anspruch 2 der dadurch entstehende höhe­ re Abgasgegendruck auf die minimalste Zylinderzahl beschränkt werden, die eine aus­ reichende Abgasrückführate sichern, so daß die Erhöhung der Gaswechselarbeit durch den höheren Gegendruck auf eine kleine Anzahl von Zylindern beschränkt bleibt.
Anspruch 3 stellt eine Weiterbildung der Regeleinrichtung zur optimalen Abgasrück­ führung bei minimaler Ausschiebearbeit dar.
Eine vorteilhafte Anordnung kann dem Patentanspruch 4 entnommen werden. Durch die Zusammenfassung aller Elemente zu einer baulichen Einheit wird eine raumsparende und kostengünstige Lösung erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen können ferner den Patentansprüchen 5 und 6 entnommen werden.
Ausführungsbeispiele für eine Abgasrückführung an einer aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbo­ lader und einer Regeleinrichtung zur druckseitigen Abgas­ rückführung.
Fig. 2 ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Ab­ gasturboaufladung, wobei die Regeleinrichtung stromabwärts von Zylinder 14a angeordnet ist.
Fig. 3 ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Ab­ gasturboaufladung, wobei die Regeleinrichtung stromabwärts der Zylinder 14a, 14b angeordnet ist.
Fig. 4 ein Beispiel einer konstruktiven Ausbildung der Einrichtung 7, die stromabwärts des Zylinders Nr. 6 angeordnet ist.
Fig. 5 einen Schnitt V-V durch die Einheit von Drossel und Abgasventil von Fig. 4.
Fig. 1 stellt ein Schaltschema einer druckseitigen Abgasrückführung einer aufgelade­ nen Brennkraftmaschine dar. Das Beispiel zeigt eine sechszylindrige Brennkraft­ maschine 1 mit einem Turbolader 2, bestehend aus Turbine 3 und Verdichter 4. Die Ladeluft kann durch einen Ladeluftkühler 5 rückgekühlt und einem Ladeluftrohr 6 zugeführt werden. Erfindungsgemäß können Teile des Abgases durch eine Variation der Drosselwirkung der Regeleinrichtung 7 über eine Abgasrückführleitung 8 und ein Abgasregelventil 9 ins Ladeluftrohr 6 zurückgeführt werden. Zur Kühlung des Abgases kann dem Abgasregelventil 9 ein Abgaskühler 10 vor- bzw. nachgeschaltet sein.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 7 besteht aus einer Drosselstelle 11 und einem dazu parallel geschalteten Abgasventil 12, welches durch ein Stellglied 13a regelbar ist. Von der Regeleinrichtung 7 zweigt die Abgasrückführleitung 8 ab, welche über das Abgasregelventil 9 in den druckseitigen Bereich des Ladeluftrohres 6 mündet. Die Re­ geleinrichtung 7 mit einer Drosselstelle 11 und einem dazu parallel geschalteten Abgasregelventil 12 und Stellglied 13a ist zwischen Abgassammelrohr 8 und Abgas­ turbine 3 eingeschaltet. Auf dem Weg vom Abgassammelrohr zum Ladeluftrohr 6 kann in der Abgasrückführleitung 8 ein Flatterventil 7a angeordnet werden. Damit wird auch bei voll geöffnetem Abgasventil 12 in Bereichen hoher Abgasdruckpulsation eine gewisse Abgasrückführung erreicht.
Damit die Verluste in der Gaswechselphase bei Erhöhung des von der Regeleinrich­ tung 7 erzeugten Auspuffgegendruckes zum Zwecke der Erstellung der gewünschten Abgasrückführrate minimal bleiben, soll bei mehrzylindrigen Maschinen die Anzahl n der vom erhöhten Gegendruck beaufschlagten Zylindern so klein wie möglich gehalten werden. Die Fig. 2 und 3 zeigen den Fall einer 6-Zylinder-Reihenmaschine mit zweiflutiger Turboaufladung. Nach Fig. 2 wird nur ein Zylinder, und zwar der schwungradseitige Zylinder 14a der regelbaren Drosselwirkung der Regeleinrichtung 7 unterworfen. Trotz des pulsierenden Abgasdruckes stromaufwärts der Regeleinrich­ tung 7 ist bei dieser Zylinderzahl n = 1 eine für bestimmte NOx-Konzentrationen im Abgas ausreichende Abgasrückführrate einstellbar.
Eine Erhöhung der Abgasrückführrate ergibt sich nach Fig. 3 dadurch, daß die Zahl der Zylinder auf n = 2 erhöht wird. Der Regeleinrichtung 7 sind dann die Zylinder 14a und 14b vorgeschaltet.
Die Regeleinrichtung 7 kann bis stromabwärts des Zylinders 14c (Fig. 1 ) angeordnet werden und somit alle 3 Zylinder 14a, 14b, 14c einer Abgasflut für die Erzeugung des Abgasgegendruckes und des rückzuführenden Abgasstroms benutzen.
Soll nun in einem bestimmten Motorkennfeld Abgas zurückgeführt werden, so kann durch Feinregulierung mittels Stellglied 13a der Durchfluß durch das Abgasventil 12 gegenüber der Drosselstelle 11 so eingestellt werden, daß sich vor der Regeleinrich­ tung 7 ein definierter Abgasdruck aufbaut, der den Ladeluftdruck im Ladeluftrohr 6 übersteigt. Die Menge des über die Abgasleitung 8 rückgeführten Abgases kann durch die Lage des Abgasventils 12 eingestellt werden.
Ist bei voll geöffnetem Abgasventil 12 der Abgasgegendruck höher als der Ladedruck, regelt das Abgasregelventil 9 die Abgasrückführate.
Soll kein Abgas zurückgeführt werden und kein Abgas- bzw. Ladeluftaustausch zwi­ schen Abgaskrümmer und Ladeluftrohr stattfinden, so wird das Abgasregelventil 9 vollständig gesperrt. Somit strömt keine Druckluft vom Ladeluftrohr in den Auspuff­ krümmer und keine Nachteile in der Gaswechselschleife sind zu verzeichnen. (Fig. 1)
Ein Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung 7 ist in den Fig. 4, 5 dargestellt. Nach Fig. 4 ist die Regeleinrichtung 7 seitlich zusammen mit dem Abgaskrümmer 15 mittels Schrauben 16a, 16b an einen Zylinderkopf angeflanscht. Das Gehäuse 17 ver­ einigt das Abgasventil 12 und die Drosselstelle 11 und bildet mit den Abschnitten 15a, 15b des Abgaskrümmers 15 eine bauliche Einheit. Die Drosselstelle 11 verbindet die Abschnitte 15a, 15b des Abgaskrümmers 15, so daß sich im Abgasraum 19 ein Über­ druck ausbilden kann, welcher durch das zur Drosselstelle 11 parallel geschaltete Ab­ gasventil 12 geregelt werden kann. Das Abgasventil 12 wird durch ein Stellglied 13 (Fig. 1 ) geregelt. Zur Kühlung des Abgasventils 12 ist es vorteilhaft, die Ventilfüh­ rung 20 mit Kühlrippen 21 zu versehen.
Einen Schnitt V-V zeigt Fig. 5. Das Gehäuse 17 ist mittels des Abschnittes 15a an den Zylinderkopf, beispielsweise 14a (Fig. 1) angeflanscht. Der Abgasraum 19 ist einerseits über die Drosselstelle 11 und andererseits über das Abgasventil 12 mit dem Abschnitt 15b des Abgaskrümmers 15 (Fig. 4) verbunden. Das rückzuführende Abgas gelangt über die an das Gehäuse 17 angeflanschte Abgasrückführleitung 8 in das aus Fig. 1 ersichtliche Luftsammelrohr 6.
Bei Motoren mit einflutiger Turboaufladung (Fig. 1) und bei mechanisch aufgeladenen Motoren ist die Anbringung der Vorrichtung 7 unmittelbar vor Eingang der Abgas­ turbine bzw. am Ausgang des Abgassammelrohrs möglich. Die Beaufschlagung sämtlicher Zylinder n mit erhöhtem Abgasgegendruck verursacht zwar größere Verluste in der Gaswechselphase bzw. ungünstigere Verhältnisse für die Turboaufladung, bietet jedoch Vorteile im gleichmaßigen und pulsationsarmen Abgasstrom in der Rückführleitung.

Claims (7)

1. Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei der Abgas von einem Abgassammelrohr unter Zwischenschaltung einer Regel­ einrichtung einem Ladeluftrohr zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (7) aus einer Drosselstelle (11) und einem dazu parallel geschalteten Abgasventil (12) gebildet wird, daß stromauf der Regeleinrichtung (7) eine Abgasrückführleitung (8) mit einem Abgasregel­ ventil (9) angeordnet ist, wobei sowohl das Abgasventil (12) als auch das Abgasregelventil (9) mittels Stelleinrichtungen (13a, 13b) steuerbar sind.
2. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei n-zylindrigen Maschinen die Regeleinrichtung (7) einer kleineren Anzahl von Zylindern als n nachgeschaltet ist.
3. Abgasrückführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselsteile (11) so dimensioniert ist, daß bei geschlossenem Abgasven­ til (12) in dem Bereich des Motorkennfeldes, wo das positive Spülgefalle am größten ist, sich eine ausreichende Abgasrückführrate einstellt, daß in den anderen Bereichen des Motorkennfeldes das Abgasventil (12) soweit geöff­ net wird, daß sich die jeweils notwendige Abgasrückführrate bei jeweils kleinstmöglichem Abgasgegendruck stromaufwärts der Regeleinrichtung (7) einstellt, und daß bei voll geöffnetem Abgasventil (12) in den Bereichen des Motorkennfeldes, wo kein Medienaustausch zwischen Abgas- und Luft­ system stattfinden soll, das Abgasregelventil (9) geschlossen wird.
4. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dros­ selstelle (11) und das Abgasventil (12) in einem Gehäuse (17) zu einer bau­ lichen Einheit zusammengefaßt sind, daß das Gehäuse (17) zwischen den Rohrabschnitten (15a, 15b) in ein Abgassammelrohr (15) integriert ist, und daß ein Abgasraum (19), welcher zwischen den Abschnitten (15a, 15b) liegt, über eine Abgasrückführleitung und dem Abgasregelventil (9) mit dem Ladeluftrohr verbunden ist.
5. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel­ einrichtung (7) bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen zwischen zwei be­ nachbarten Zylindern (14a, 14b) angeordnet ist, wobei der äußere Zylinder (14a) der Schwungradseite der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
6. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführleitung (8) ein Abgaskühler (10) angeordnet ist.
7. Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abgassammelrohr und Ladeluftrohr (6) in der Abgasrück­ führleitung (8) ein Flatterventil (7a) angeordnet ist.
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