DE19603591C1 - Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 42 35 794 C1 ist bereits eine aufgeladene Brennkraft­ maschine mit einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbine und einen Ladeluftverdichter umfaßt, bekannt. Eine Abgasrückführlei­ tung verbindet eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine stromauf der Turbine mit einer Ladeluftleitung stromab des Verdichters, wobei in der Ladeluftleitung eine einen Injektor und eine Dros­ selklappe umfassende Durchflußreguliereinrichtung angeordnet ist, über die die Menge des über die Abgasrückführleitung zur Einlaßseite der Brennkraftmaschine zurückgeführten Abgases re­ gelbar ist.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck­ schriften DE 34 20 015 A1, DE 44 29 232 C1 und WO 91/18192 ver­ wiesen.
Ein Problem bei der Verwirklichung einer verlustarmen Abgasrück­ führung im gesamten Betriebsbereich einer aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine liegt darin, daß das Druckniveau des Ladedrucks auf der Luftseite höher ist, als das Druckniveau des Abgasdrucks der Abgasseite der Brennkraftmaschine, besonders im mittleren und oberen Lastspektrum der Brennkraftmaschine. In besagten Lastbereichen steht somit das Druckgefälle zwischen Luftseite und Abgasseite der Brennkraftmaschine nicht in der für eine Ab­ gasrückführung gewünschten Richtung zur Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst ver­ lustarme Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschi­ ne der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß im gesamten Be­ triebsbereich der Brennkraftmaschine unabhängig vom Druck des Abgase s in der Abgasleitung eine gesonderte Menge Abgas in eine Ladeluftleitung bzw. auf eine Einlaßseite der Brennkraftmaschine zurückführbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gegebenen Merkmale gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung an.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasrückführung liegt darin, daß eine Abgasrückführung über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ermöglicht ist, da der Druck in der Abgaslei­ tung nunmehr nicht betriebsnotwendig höher sein muß als der Druck in der Ladeluftleitung, um eine bestimmte Menge Abgas zur Einlaßseite der Brennkraftmaschine zurückzuführen. Zudem ist durch den zweiten Abgasturbolader die Abgasrückführung baulich variabel ausgestaltbar, da die Turbine des zweiten Abgasturbola­ ders parallel in der Abgasleitung stromauf der Abgasturbine des ersten Abgasturboladers oder parallel in der Ladeluftleitung stromab des Ladeluftverdichters des ersten Abgasturboladers an­ geordnet sein kann. Somit besitzt der weitere Abgasturbolader wahlweise eine Abgasturbine oder eine Ladeluftturbine. Die zu­ rückgeführte Abgasmenge ist über das ladeluftseitige Turbinen­ druckgefälle p2,1/p2,1′ bzw. das abgasseitige Turbinendruckgefälle p3,2/p3,2′, das über das parallel zur Turbine des zweiten Ab­ gasturboladers geschaltete Regelventil einstellbar ist, für je­ den möglichen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine frei bestimm­ bar.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Un­ teransprüchen und weitere Vorteile der Erfindung aus der Be­ schreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand dreier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel eine schematische Dar­ stellung einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Ab­ gasturbolader mit Abgasturbine und Ladeluftverdichter und einer Abgasrückführleitung, in der eine Durchflußregu­ liereinrichtung angeordnet ist, die ein Lade­ luft-Regelventil sowie einen weiteren Abgasturbolader mit einem Abgasverdichter und einer Ladeluftturbine umfaßt, wobei letztere stromab des Ladeluftverdichters parallel zur Ladeluftleitung geschaltet ist,
Fig. 2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine schematische Zeichnung einer Brennkraftmaschine analog Fig. 1, wobei die Turbine des weiteren Abgasturboladers stromauf der Ab­ gasturbine des ersten Abgasturboladers parallel zur Abgas­ leitung geschaltet ist und
Fig. 3 in einem dritten Ausführungsbeispiel eine schematische Zeichnung analog Fig. 2, wobei die Turbine des weiteren Abgasturboladers parallel zur Turbine des ersten Abgastur­ boladers geschaltet ist und wobei stromab des Ladeluftver­ dichters ein Ladeluftkühler und stromauf des Abgasverdich­ ters des weiteren Abgasturboladers ein Abgaskühler ange­ ordnet ist.
Fig. 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine schemati­ sche Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, die über eine Lade­ luftleitung 2 und eine Abgasleitung 3 mit einem ersten Abgastur­ bolader 4 verbunden ist. Der Abgasturbolader 4 besteht in seinen wesentlichen Teilen aus einem Ladeluftverdichter 5, der über ei­ ne Welle 6 mit einer Abgasturbine 7 verbunden ist.
Ein erstes Leitungsteil 2′ der Ladeluftleitung 2 führt von einer Druckseite 11 des Verdichters 5 zu einer Einlaßseite 12 der Brennkraftmaschine 1 und ein zweites Leitungsteil 2′′ der Lade­ luftleitung 2 führt von einem nicht dargestellten Luftfilter zur Saugseite 13 des Ladeluftverdichters 5.
Ein erstes Leitungsteil 3′ der Abgasleitung 3 führt von einer Auslaßseite 8 der Brennkraftmaschine 1 zu einem Einlaßstutzen 9 der Abgasturbine 7 und ein zweites Leitungsteil 3′′ der Abgas­ leitung 3 führt von einem Ausströmstutzen 10 der Turbine 7 zu einem nicht dargestellten Auspuff der Brennkraftmaschine 1.
Von dem ersten Leitungsteil 3′ führt eine Abgasrückführleitung 14 zum ersten Leitungsteil 2′, wobei in der Abgasrückführleitung 14 ein Abgasverdichter 15 eines weiteren Abgasturboladers 16, der im folgenden auch als Abgasrückführ-Turbolader bezeichnet wird, angeordnet ist. Der weitere Abgasturbolader 16 umfaßt in seinen wesentlichen Teilen den Abgasverdichter 15, der über eine Welle 17 mit einer Ladeluftturbine 18 verbunden ist.
Die Ladeluftturbine 18 ist mit Leitungen 19 und 20 parallel zum Leitungsteil 2′ der Ladeluftleitung 2 geschaltet, wobei zwischen den Mündungsstellen 21 und 22, in denen die Leitungen 19 und 20 in das Leitungsteil 2′ der Ladeluftleitung 2 münden, ein Lade­ luft-Regelventil 23 angeordnet ist.
Der weitere Abgasturbolader 16 mit seiner im Bypaß zum Leitungs­ teil 2′ geschalteten Ladeluftturbine 18 nebst Lade­ luft-Regelventil 23 bilden die Hauptbestandteile einer Durchflußre­ guliereinrichtung 29, mit der die Menge des durch die Abgasrück­ führleitung 14 strömenden Abgases regelbar ist.
Die Leitung 19 mündet stromab des Ladeluftverdichters 5 des er­ sten Abgasturboladers 4, jedoch stromauf des Lade­ luft-Regelventils 23, aus dem Leitungsteil 2′ zu einer Einströmseite 24 der Ladeluftturbine 18 aus und die Leitung 20 führt von einer Ausströmseite 25 der Ladeluftturbine 18 über einen Anschluß 28 an der Abgasrückführleitung 14 zur Mündungsstelle 22, die strom­ auf der Einlaßseite 12 und stromab des Ladeluft-Regelventils 23 in das Leitungsteil 2′ mündet.
Ein erster Teil 14′ der Abgasrückführleitung 14 führt von dem ersten Leitungsteil 3′ zur Saugseite 30 des Abgasverdichters 15, wobei in dem ersten Teil 14′ der Abgasrückführleitung 14 ein Rückschlagventil 26 angeordnet ist, das eine Rückströmung von Abgas bzw. Ladeluft durch den Verdichter 15 in die Abgasleitung 3 verhindern sowie eine Trennung der Abgasseite von der Luftsei­ te der Brennkraftmaschine 1 realisieren soll. Das Rückschlagven­ til 26 und das Ladeluft-Regelventil 23 sind über strichliert an­ gedeutete Leitungen 27′ mit einem Regler 27 verbunden und über eine nicht dargestellte Motorsteuerung regelbar.
Stromab des Abgasverdichters 15 führt ein zweites Leitungsteil 14′′ der Abgasrückführleitung 14 zum ersten Leitungsteil 2′ der Ladeluftleitung 2, wobei das zweite Leitungsteil 14′′ kurz vor der Mündungsstelle 22 in einem Anschluß 28 in die Leitung 20 mündet.
Der Druck des Abgases in dem ersten Leitungsteil 3′, der abgese­ hen von Rohrreibungsverlusten gleich dem Druck auf einer Saug­ seite 30 des Abgasverdichters 15 ist, wird mit p3,1 und der Druck auf einer Druckseite 31 des Abgasverdichters 15 wird mit p3,1′ bezeichnet. Der Druck der Ladeluft in dem ersten Leitungsteil 2′ stromauf des Ladeluft-Regelventils 23 ist p2,1 und der Druck der Ladeluft in dem ersten Leitungsteil 2′ stromab des Lade­ luft-Regelventils 23 p2,1′ (Druckverluste in den Rohrleitungen werden vernachlässigt). Somit ist p2,1 der an der Einströmseite 24 der Ladeluftturbine 18 anliegende Druck und p2,1′ der auf der Aus­ strömseite 25 der Ladeluftturbine 18 herrschende Druck.
In der Ausführung gemäß Fig. 1 wird die Ladeluftturbine 18 des Abgasrückführ-Turboladers parallel zum ersten Leitungsteil 2 der Ladeluftleitung 2 in einen Bypaß placiert. Das Turbinen­ druckgefälle p2,1/p2,1′ wird durch das Ladeluft-Regelventil 23 im ersten Leitungsteil 2 (Hauptkanal) induziert. Durch das Druck­ gefälle über der Ladeluftturbine 18 wird die Förderleistung des Abgasverdichters 15 und somit die Menge des zur Einlaßseite 12 der Brennkraftmaschine 1 zurückgeführten Abgases gesteuert. So­ mit ist mit der vorschlagsgemäßen Abgasrückführung der Druck p2,1′ prinzipiell über dem Abgasdruck p3,1 einstellbar. Über den Abgasverdichter 15 wird das Abgas auf das erforderliche Druckni­ veau p3,1′ gehoben, wobei p3,1′ größer oder gleich p2,1′ sein muß, damit eine Abgasrückführung sichergestellt ist. Wird keine Ab­ gasrückführung benötigt, wird das Ladeluft-Regelventil 23 voll­ ständig geöffnet. Die Abgasseite wird in diesem Fall durch das geschlossen gehaltene Rückschlagventil 26 von der Luftseite ge­ trennt.
Bei der Auslegung der Komponenten ist auf eine verlustarme Aus­ legung vor allem des Ladeluft-Regelventils 23 zu achten, da durch Regelung dieses Ventils die Ladeluft von dem Leitungsteil 2′ in den Bypaß, zur Einströmseite 24 der Ladeluftturbine 18, gedrängt wird. Bei der Verdichtergestaltung des Abgasverdichters 15 sind die Temperatur- und Partikelbelastungen zu berücksichti­ gen. Es ist darauf zu achten, daß die Auslegung der Ladelufttur­ bine 18 und des Abgasverdichters 15 für geringe Druckverhältnis­ se erfolgt, da bei den herrschenden Drücken p2,1, p2,1′, p3,1, p3,1′ besagte Druckverhältnisse p2,1/p2,1′ bzw. p3,1/p3,1′ relativ gering sind. Besonderes Merkmal dieses Ausführungsbeispiels ist die ladeluftseitig angeschlossene Turbine 18 des Abgasrück­ führ-Turboladers.
In Fig. 2 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine schema­ tische Zeichnung einer Brennkraftmaschine 1 analog Fig. 1 darge­ stellt. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 werden mit gleichen Bezugs­ zeichen gekennzeichnet.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist nun eine Turbine 32 eines weiteren Abgasturboladers 33 (Abgasrückführ-Turbolader) stromauf der Ab­ gasturbine 7 des ersten Abgasturboladers 4 parallel zum ersten Leitungsteil 3′ der Abgasleitung 3 geschaltet.
Der weitere Abgasturbolader 33 umfaßt in seinen wesentlichen Teilen die Abgasturbine 32, die über eine Welle 34 mit einem Ab­ gasverdichter 35 verbunden ist. Besonderes Merkmal dieses Aus­ führungsbeispieles ist die abgasseitig angetriebene Turbine 32 des Abgasrückführ-Turboladers.
Die Abgasturbine 32 ist mit Leitungen 36, 37 parallel zum Lei­ tungsteil 3′ der Abgasleitung 3 geschaltet, wobei zwischen Mün­ dungsstellen 38, 39, in denen die Leitungen 36, 37 in das Lei­ tungsteil 3′ münden, ein Abgas-Regelventil 40 angeordnet ist. Das Abgas-Regelventil 40 und das Rückschlagventil 26 ist über strichliert angedeutete Leitungen 27′ mit dem Regler 27 verbun­ den.
Der weitere Abgasturbolader 33 mit seiner im Bypaß zur Leitungs­ teil 3′ der Abgasleitung 3 geschalteten Abgasturbine 32 nebst Abgasverdichter 35 sowie das Abgas-Regelventil 40 bilden ein zweites Ausführungsbeispiel der Durchflußreguliereinrichtung 29.
Von dem ersten Leitungsteil 3′ führt eine Abgasrückführleitung 41 zum ersten Leitungsteil 2′, wobei in dieser der Abgasverdich­ ter 35 des weiteren Abgasturboladers 33 angeordnet ist.
Die Leitung 36 (Bypaßleitung) mündet stromab der Auslaßseite 8 der Brennkraftmaschine 1 und stromauf des Abgas-Regelventils 40 in einer Ausmündung 38 aus dem Leitungsteil 3′ aus und führt zu einer Einlaßseite 42 der Abgasturbine 32. Von einer Auslaßseite 43 der Abgasturbine 32 führt die Leitung 37 zurück zum Leitungs­ teil 3′ und mündet in dieses stromab des Abgas-Regelventils 40.
Die Abgasrückführleitung 41 ist, von der Auslaßseite 8 der Brennkraftmaschine 1 betrachtet, durch das bis zur Mündungsstel­ le 38 führende Teil 41a der Leitung 3′, einem Stück 41b der Lei­ tung 36, einer von diesem abzweigenden Leitung 41c, dem Abgas­ verdichter 35 und einem Leitungsteil 41d, das von einer Druck­ seite 45 des Abgasverdichters 35 zum Leitungsteil 2′ der Lade­ luftleitung 2 führt und mit diesem strömungsmäßig verbunden ist, gebildet.
Der Druck des Abgases in dem ersten Leitungsteil 3′, der abgese­ hen von Rohrreibungsverlusten gleich dem Druck auf der Saugseite 44 des Abgasverdichters 35 und auf der Einlaßseite 42 der Ab­ gasturbine 32 ist, wird mit p3,2 und der Druck auf der Ausström­ seite 43 der Abgasturbine 32, der bis auf Rohrleitungsverluste dem Druck stromab des Abgas-Regelventils 40 im Leitungsteil 3 entspricht, wird mit p3,2′ bezeichnet. Der Druck der Ladeluft in dem ersten Leitungsteil 2′ ist p2,2 und der Druck des Abgases auf der Druckseite 45 des Verdichters 35, der dem Druck in dem Lei­ tungsteil 41d der Abgasrückführleitung entspricht, ist p2,2′ (Druckverluste in den Rohrleitungen werden vernachlässigt).
Ein Hauptmerkmal des zweiten Ausführungsbeispieles ist die par­ allel zur Abgasleitung 3 geschaltete Abgasturbine 32. Während im ersten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 1) der Ladedruck p2,1 auf p2,1′ abgesenkt wird, wird im zweiten Ausführungsbeispiel in Fig. 2 der Druck p3,2 auf p3,2′ über das Abgas-Regelventil 40 her­ abgesetzt und die Abgasmasse zur Abgasturbine 32 gedrängt. Die gewünschte Menge von zur Einlaßseite 12 zurückgeführtem Abgases wird über den Abgasverdichter 35 angesaugt und auf das entspre­ chende Ladedruckniveau (p2,2′ größer oder gleich p2,2) gefördert.
Fig. 3 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel eine schemati­ sche Darstellung der Brennkraftmaschine 1 analog zu Fig. 2. Gleiche Bauteile aus Fig. 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Prinzipiell ist der weitere Abgasturbolader 33 wie in Fig. 2 ge­ schaltet, jedoch ist die Leitung 37 von der Ausströmseite 43 der Abgasturbine 32 auf das zweite Leitungsteil 3′′ der Abgasleitung 3 stromab der Abgasturbine 7 des Abgasturboladers 4 geführt.
Stromab des Verdichters 5 ist ein Ladeluftkühler 46 und stromauf des Abgasverdichters 35 ist ein Abgaskühler 47 angeordnet. Der Abgaskühler 47 dient zur thermischen Entlastung und zur Reduzie­ rung der Verdichterarbeit des Abgasverdichters 35.
Wie in Fig. 2 ist die Saugseite 44 des Abgasverdichters 35 und die Einströmseite 42 der Abgasturbine 32 mit einer Leitung ver­ bunden, die aus einem Teil der Leitung 36 und der Leitung 41c besteht.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist in der Leitung 36 eine Einmündung 48 einer zur Auslaßseite 8 der Brennkraftmaschi­ ne 1 führenden Leitung 49 angeordnet, wobei in der Leitung 49 ein Abgas-Regelventil 50 angeordnet ist.
In Fig. 3 ist die Abgasturbine 32 des weiteren Abgasturboladers 33 parallel zur Abgasleitung 3 und gleichzeitig parallel zur Ab­ gasturbine 7 des ersten Abgasturboladers 4 geschaltet.
Der für die Abgasrückführung erforderliche Abgasstrom wird von der Stelle 38 und/oder der Stelle 48 entnommen und dem Abgasver­ dichter 35 sowie der Abgasturbine 32 zugeführt. Diese Anordnung führt zu einer besonders geringen Wirkungsgradverschlechterung bei der Abgasrückführung, da nur in dem durch die Abgasturbine 32 geführten Abgasstrom Drosselverluste entstehen. Diese können durch Verwendung einer Abgasturbine 32 mit einem nicht darge­ stellten variablen Turbinenleitgitter vermieden werden. Das Re­ gelventil dient bei derartigen Abgasturbinen nur zur Zu- und Ab­ schaltung der Abgasrückführung. Die Regelung erfolgt über das Abgas-Regelventil 50 bzw. über die Abgasturbine mit dem varia­ blen Turbinenleitgitter motorkennfeldgesteuert über den Lade­ druck und/oder eine Luftmassenmessung.

Claims (8)

1. Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine, die einen er­ sten Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Ladeluft­ verdichter sowie eine Abgasleitung und eine Ladeluftleitung aufweist, wobei eine Abgasrückführleitung die Abgasleitung stromauf der Abgasturbine mit der Ladeluftleitung stromab des Ladeluftverdichters verbindet und wobei die Menge des durch die Abgasrückführleitung strömenden Abgases mit einer Durchflußregu­ liereinrichtung regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußreguliereinrichtung (29) einen weiteren Ab­ gasturbolader (16, 33) mit einem Abgasverdichter (15, 35) und ei­ ner weiteren Turbine (18, 32) sowie ein Regelventil (23, 40) um­ faßt, über das die zurückgeführte Abgasmenge regelbar ist, wobei besagte weitere Turbine (18, 32) parallel zur Abgasleitung (3, 3′, 3′′) oder parallel zur Ladeluftleitung (2, 2′) geschaltet ist.
2. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Abgasverdichter (15, 35) in der Abgasrückführlei­ tung (14, 41) angeordnet ist.
3. Abgasrückführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei stromab des Ladeluftverdichters (5) mit Leitungen (19, 20) parallel zur Ladeluftleitung (2, 2′) geschalteter weite­ rer Ladeluftturbine (18) ein Ladeluft-Regelventil (23) parallel zu dieser in der Ladeluftleitung (2, 2′) angeordnet ist.
4. Abgasrückführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei stromauf der Abgasturbine (32) mit Leitungen (36, 37) parallel zur Abgasleitung (3, 3′) geschalteter Abgasturbine (32) ein Abgas-Regelventil (40) parallel zu dieser in der Abgaslei­ tung (3, 3′) angeordnet ist.
5. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Saugseite (44) des Abgasverdichters (35) mit der Abgas­ leitung (3, 3′) stromauf der Abgasturbine (7) des ersten Ab­ gasturboladers (4) und eine Druckseite (45) des Abgasverdichters (35) mit der Ladeluftleitung (2, 2′) stromab des Ladeluftverdich­ ters (5) verbunden ist.
6. Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Abgasverdichters (35) ein Abgaskühler (47) an­ geordnet ist.
7. Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Ladeluftverdichters (5) ein Ladeluftkühler (46) angeordnet ist.
8. Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführleitung (14, 41) ein Rückschlagventil (26) angeordnet ist.
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