DE19623970A1 - Aufgeladener Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungsleitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Abgasrück­ führung.

Es ist bekannt, bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zur Verminderung von Schadstoffemissionen eine Abgasrückführung aus einer Abgasleitung in eine Ladeluftleitung derart vor­ zusehen, daß die Bauteile der Ladevorrichtung nicht von dem Abgas durchströmt werden, wodurch eine die Lebensdauer die­ ser Bauteile beeinträchtigende Verschmutzung verhindert ist. Jedoch macht das durch den in der Ladeluftleitung herrschenden durchschnittlich höheren Druck als in der Ab­ gasleitung entstandene positive Druckgefälle Maßnahmen zum Erreichen eines für eine Abgasrückführung notwendigen nega­ tiven Druckgefälles in der Abgasrückführungsleitung erfor­ derlich.

Die DE-PS 42 35 794 C1 offenbart bereits eine aufgeladene Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art mit einer Abgas­ rückführung. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit einem Ab­ gasturbolader, welcher aus einer an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossenen Turbine und einem mit der Ladeluftleitung verbundenen Verdichter besteht, wobei die Turbine mittels einer Welle den Verdichter rotierend antreibt. Die Abgasleitung ist stromauf der Turbine durch eine Abgasrückführungsleitung mit der Ladeluftleitung stromab des Verdichters verbunden, wobei eine Durchfluß­ reguliereinrichtung vorgesehen ist, über die die Menge des aus der Abgasrückführungsleitung strömenden Abgases regel­ bar ist.

Die Durchflußreguliereinrichtung ist gebildet aus einer Parallelschaltung einer Drosseleinrichtung und eines Ejektors mit einem Einströmstutzen, einem Ausströmstutzen und einem Saugstutzen, wobei sich die Drosseleinrichtung in der Ladeluftleitung und der Ejektor in einer Bypass-Leitung befindet und der Einströmstutzen und der Ausströmstutzen mit der Ladeluftleitung und der Saugstutzen mit der Abgas­ rückführungsleitung verbunden ist. In der Ladeluftleitung ist ein Absperrventil angeordnet, welches bei einem nega­ tiven Druckgefälle öffnet, wodurch eine Abgasteilmenge von der Abgasleitung über die Abgasrückführungsleitung durch den Ejektor zu der Ladeluftleitung gelangt und mit der La­ deluft vermischt wird.

Bei schädlichem positivem Druckgefälle wird die Drossel so weit geschlossen, daß die Ladeluft sowohl durch die mit der Drosseleinrichtung versehene Ladeluftleitung als auch über die Bypass-Leitung durch den Ejektor strömt. In dem Ejektor ist der statische Druck durch Erhöhung des dynamischen Druckes mittels Beschleunigung der Ladeluftströmung in einer Düse so weit abgesenkt, daß der turbinenseitige Ab­ gasdruck in der Abgasrückführungsleitung höher ist als der statische Druck im Ejektor. Das Abgas strömt durch den Saugstutzen ein und das Luftabgasgemisch wird durch einen Diffusor des Ejektors geleitet, wo die Strömung wieder ver­ zögert und damit der dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt ist. Das Luftabgasgemisch wird über den Aus­ strömstutzen und die Bypass-Leitung in die Ladeluftleitung geleitet, wo sie mit der über die teilweise geschlossene Drosseleinrichtung strömenden Ladeluft vermischt der Ein­ laßseite der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Aus der EP-PS 0 620 365 B1 ist eine gattungsgemäße ab­ gasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Abgasrück­ führung bekannt, bei der die Abgasentnahme stromauf einer dem Abgasturbolader zugeordneten Turbine und die Abgaszu­ führung stromab eines Verdichters erfolgt, so daß in Durch­ flußrichtung der Abgasrückführungsleitung ein positives Druckgefälle ansteht.

Um das für den Betrieb einer Abgasrückführung notwendige, oben beschriebene negative Druckgefälle zu erzielen, ist dem ladeluftverdichtenden Turbolader (Hauptlader) ein zwei­ ter, abgasverdichtender Turbolader (Nebenlader) parallel­ geschaltet, wobei stromauf der Turbine des Hauptverdichters eine Abgasdruckleitung aus der Hauptabgasleitung einen die Turbine des Nebenladers und somit den Verdichter des Ne­ benladers antreibenden Abgasteilstrom abzweigt. Dem Ver­ dichter des Nebenladers wird durch eine mit der Abgas­ leitung stromab der Turbine des Hauptladers und der Abgas­ leitung stromab der Turbine des Nebenladers kommunizieren­ den Saugleitung Abgas zugeführt, welches nach der Ver­ dichtung über eine Abgasrückführungsleitung der Ladeluft­ leitung stromab des Verdichters des Hauptladers zugeführt ist, wobei der Abgasdruck stromab des Verdichters des Ne­ benladers etwa um den Betrag größer ist als der Ladeluft­ druck stromab des Verdichters des Hauptladers, der der Differenz des Abgasdruckes in der Saugleitung des Verdich­ ters des Nebenladers und dem Luftdruck der von dem Verdich­ ter des Hauptladers angesaugten Ladeluft entspricht.

Bei einer gewünschten Abgasrückführung ist der Nebenlader zugeschaltet, indem in der Abgasdruckleitung stromauf der Turbine des Nebenladers und in der Saugleitung stromauf des Verdichters des Nebenladers angeordnete Abgasrückführungs­ ventile geöffnet sind.

Diese bekannten aufgeladenen Brennkraftmaschinen können das Problem des durchschnittlich positiven Druckgefälles in der Abgasrückführungsleitung von einer Abgasleitung mit durch­ schnittlich niedrigem Abgasdruck zu einem Ansaugtrakt mit durchschnittlich hohem Ladedruck nur durch den Einbau zu­ sätzlicher Einrichtungen wie Ejektoren, Drosselein­ richtungen, Turbinen, Verdichter, etc. In die Abgasrück­ führungsleitung lösen, wodurch stromab dieser Einrichtungen ein den Ladeluftdruck übersteigender Abgasdruck und somit ein treibendes, negatives Druckgefälle in der Abgasrück­ führungsleitung erzeugt ist. Solche Maßnahmen sind mit sehr beträchtlichem Bauaufwand und damit Kosten verbunden und führen außerdem unausweichlich zu zusätzlichen Strömungs­ widerständen im Gasleitungssystem und damit zu Antriebsver­ lusten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung derart aus zubilden, daß mit einfachsten baulichen Mitteln eine Brenn­ kraftmaschine mit ausgedehntem Abgasrückführungsbereich entsteht. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zur Abgasrückführung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Abgasrückführungsleitung bei einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst; die Lösung bezüglich des Verfahrens be­ steht in den Merkmalen des Anspruches 18.

Bei einem erfindungsgemäß aufgeladenen Verbrennungsmotor ist eine Abgasrückführung durch eine Leitung mit einem po­ sitiven Druckgefälle von einem Abgastrakt mit durchschnitt­ lich niedrigem Abgasdruck zu einem Ansaugtrakt mit durch­ schnittlich hohem Ladedruck ohne zusätzliche Absenkung des Druckgefälles durch Einrichtungen zur Erhöhung des Abgas­ druckes in der Abgasrückführungsleitung über das Ladedruck­ niveau erreicht. Der Lösung der Aufgabe, in der Abgasrück­ führungsleitung eine Sperreinrichtung anzuordnen, welche bei kurzzeitig vorhandenem negativem Druckgefälle öffnet, liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in motorsystemspezifi­ schen Kennfeldbereichen mit im Mittel positivem Druckge­ fälle periodisch negative Druckgefälle kurzzeitig vorhanden sind, welche aus Druckstößen im Abgassystem resultieren.

Der Verbrennungsmotor ist vorteilhaft von einem Abgasturbo­ lader aufgeladen, wobei die Abgasentnahme aus einer Abgas­ leitung stromauf einer Turbine und die Abgaszuführung in eine Ladeluftleitung stromab eines Verdichters erfolgt, um die Bildung von Ablagerungen im Verdichtergehäuse und die Verschmutzung des Laufzeugs des Verdichters infolge einer Abgasdurchströmung zu verhindern. In der Abgasrückführungs­ leitung ist ein Abgasrückführungsventil vorgesehen, weiches in einem Ventilgehäuse angeordnet die Verbindung zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, welche abge­ winkelt, insbesondere orthogonal zueinander, angeordnet sein können, bei zwischen der Abgasleitung und der Lade­ luftleitung vorhandenem negativen Druckgefälle freigibt.

Hierzu umfaßt das Abgasrückführungsventil ein Rotationsele­ ment, welches als zur Einlaßöffnung offener Hohlzylinder ausgebildet ist und über eine durch die Ventilgehäusewand geführte Welle um eine Symmetrieachse der Öffnung im Ge­ häuse rotierend antreibbar ist. In seiner Zylinderumfangs­ wand weist das Rotationselement eine runde Öffnung auf, welche von dem umlaufenden Rotationselement periodisch in Überdeckung mit der Auslaßöffnung des Ventilgehäuses bring­ bar ist, so daß die Abgasrückführungsleitung inter­ mittierend freigegeben wird. Das Rotationselement läuft mit einer an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelten Drehzahl um, wobei die Freigabe der Abgasrückführungs­ leitung in jenen Zeitintervallen erfolgt, in denen der Ab­ gasdruck den Ladedruck übersteigt. Durch sehr schnelles und zeitgenaues Öffnen und Schließen des Abgasrückführungs­ ventils ist das nur kurzzeitig für die Rückführung von Ab­ gas zur Verfügung stehende negative Druckgefälle in der Ab­ gasrückführungsleitung genutzt.

Das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen des Verbrennungs­ motors und des Rotationselementes ist konstant und motor­ spezifisch so gewählt, daß das Abgasrückführungsventil di­ rekt abhängig von der Zündfolge der Zylinder des Verbren­ nungsmotors und damit der Abgaspulsation bei Vorliegen eines negativen Druckgefälles die Abgasrückführungsleitung freigibt. Die Antriebswelle des Rotationselementes kann da­ bei mechanisch mit dem Verbrennungsmotor verbunden oder, besonders vorteilhaft, durch einen separaten Elektromotor mit elektronischer Kopplung mit der Verbrennungsmotordreh­ zahl antreibbar sein.

Die Abgasrückführungsrate des Abgasrückführungsventils ist bestimmt durch die Drehzahl des Rotationselementes und durch die Größe der Strömungsdurchgangsfläche, welche bei Überdeckung der Öffnungen des Rotationszylinders und der Ventilgehäuseauslaßöffnung entsteht, insbesondere die einem Drehwinkel β entsprechende Umfangserstreckung der Ro­ tationszylinderöffnung, welche drehzahlabhängig die Öff­ nungsdauer des Ventils definiert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, in dem Ventilgehäuse eine verstellbare Schieberblende anzuord­ nen, welche die Ventilgehäuseauslaßöffnung teilweise ab­ decken kann. Die Position der Schieberblende ist mittels einer Verstellmechanik einstellbar, wodurch die von der ab­ gasdurchströmten Restfläche der Ventilgehäuseauslaßöffnung bestimmte Abgasrückführungsrate motorspezifisch und be­ triebspunktoptimiert variierbar ist. Dabei ist bei einem Abgasrückführungsbetrieb unter durchschnittlich positivem Druckgefälle entweder der Öffnungs- oder der Schließzeit­ punkt des Abgasrückführungsventils einstellbar, während bei einem Abgasrückführungsbetrieb mit vorwiegend negativem Druckgefälle jede beliebige Abgasrückführungsrate einstell­ bar ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Ventilgehäuse ein zweites hohlzylinderförmiges Rotations­ element angeordnet, weiches den ersten Rotationszylinder koaxial in seinem Hohlraum aufnimmt, wobei die Rotations­ zylinder einstellbar aneinander drehbefestigt sind und über die Antriebswelle synchron antreibbar sind. Die Rotations­ zylinder weisen jeweils eine in Überdeckung mit der Ventil­ gehäuseauslaßöffnung bringbare Öffnung auf, welche sich ra­ dial über den halben Umfang des Rotationszylinders er­ streckt. Die Rotationszylinder sind in Drehrichtung zuein­ ander versetzt angeordnet, wobei die Drehwinkellage der Ro­ tationszylinder relativ zueinander mittels einer Verstell­ mechanik einstellbar ist. Auf diese Weise ist ein Abgas­ rückführungsventil gegeben, in dessen Gehäuse ein zwei Hohlzylinder umfassender Rotationskörper antreibbar ist, wobei die versetzte Drehwinkellage der Rotationszylinder relativ zueinander eine einstellbare Umfangsöffnung schafft, welche in Überdeckung mit der Ventilgehäuseaus­ laßöffnung bringbar ist und die Abgasrückführungsleitung freigeben kann. Die Rotationszylinder sind in bestimmten Winkeln gegen eine gemeinsame Bezugsachse angestellt, wo­ durch in Abhängigkeit von der Motordrehzahl der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Abgasrückführungsventils bestimmt ist.

Die Variation der Abgasrückführungsraten kann in Abhängig­ keit von der Motordrehzahl mit in Lastbereichs-Kennfeldern abgelegten Daten gesteuert sein. Die Kennfelder umfassen Informationen über die einzelnen Betriebspunkten zugeord­ neten Anstellwinkel der Rotationszylinder und dadurch der Ventilöffnungs- und -schließzeitpunkte, wobei auch weitere Einflußgrößen berücksichtigt sein können. Sind im Betrieb des Verbrennungsmotors die Drehzahl des Motors und die sta­ tischen Drücke stromauf und stromab des Abgasrückführungs­ ventils gemessen, so ist die Verstellmechanik zur Einstel­ lung des Abgasrückführungsventils unter Zugrundelegung der Kennfelddaten derart geregelt, daß der Auslaßquerschnitt des Abgasrückführungsventils freigegeben ist, wenn ein ne­ gatives Druckgefälle vorliegt und das Abgasrückführungs­ ventil dann die Abgasrückführungsleitung schließt, wenn der Druck in der Ladeluftleitung den Druck in der Abgasleitung übersteigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgeladenen Verbrennungsmotors mit Abgasrückfüh­ rung,

Fig. 2 einen axialen Schnitt eines Abgasrückführungs­ ventils mit einem Rotationszylinder,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Abgasrückführungsventils mit einem Rotations­ zylinder und einer einstellbaren Blende,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Abgasrückführungsventils mit zwei Rotations­ zylindern,

Fig. 6 ein Diagramm mit über der Kurbelwellenwinkel­ stellung grafisch aufgetragenen Verläufen des Druckes in der Abgasleitung und des Druckes in der Ladeluftleitung,

Fig. 7 bis 9 schematische Darstellungen einer Draufsicht eines Abgasrückführungsventils mit zwei Rotations­ zylindern in verschiedenen Betriebsstellungen,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines elektromotori­ schen Antriebs eines Abgasrückführungsventils,

Fig. 11 einen axialen Schnitt eines Abgasrückführungs­ ventils mit einem scheibenförmigen Rotationsele­ ment.

In Fig. 1 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 1 darge­ stellt, welcher von einem Abgasturbolader aufgeladen ist. Der Abgasturbolader umfaßt einen Verdichter 3 und eine den Verdichter über eine Laderwelle 24 antreibende Abgasturbine 2. Der Verdichter 3 komprimiert aus dem Umgebungsbereich des Verbrennungsmotors angesaugte Frischluft, welche der Einlaßseite des Verbrennungsmotors 1 über eine Ladeluft­ leitung 25 zugeführt ist. Die Abgase des Verbrennungsmotors 1 sind über eine Abgasleitung 26 der Abgasturbine 2 zuge­ leitet und treiben diese an, wobei stromab der Abgasturbine 2 der Ausstoß der Abgase vorgesehen ist. Eine Abgasrückfüh­ rungsleitung 4 verbindet die Abgasleitung 26 mit der Lade­ luftleitung 25 zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Verdichter 3. Der Druck in der Abgasleitung 26 ist durch­ schnittlich niedriger als der Druck in der Ladeluftleitung 25, wodurch in der Abgasrückführungsleitung 4 ein gegen die Rückströmungsrichtung treibendes positives Druckgefälle zwischen abgastraktseitigem Ende und ladeluftseitigem Ende ansteht. Jedoch übersteigt der Abgasdruck infolge der Pulsation des Abgases kurzzeitig den Ladeluftdruck - wie später in Fig. 6 noch näher erläutert - wobei ein periodisch wiederkehrendes, die rückzuführende Abgas­ strömung treibendes, negatives Druckgefälle in der Abgas­ rückführungsleitung 4 vorliegt.

In der Abgasrückführungsleitung 4 ist ein Abgasrückfüh­ rungsventil 5 angeordnet; welches in Betriebsbereichen mit positivem Druckgefälle die Abgasrückführungsleitung 4 sperrt. Das Abgasrückführungsventil 5 weist ein von einer mit dem Verbrennungsmotor 1 gekoppelten Antriebswelle 23 getriebenes rotierendes Bauteil auf, welches bei vorliegen­ dem negativen Druckgefälle die Abgasrückführungsleitung 4 freigibt. Die Abgaspulsation ist direkt abhängig von der Zündfolge der Zylinder und der Drehzahl des Verbrennungsmo­ tors, wodurch die Betriebsbereiche mit negativen Druckge­ fällen periodisch in genau definierten zeitlichen Abständen in der Abgasrückführungsleitung 4 vorliegen. Um einen opti­ malen Abgasrückführungsbetrieb zu gewährleisten, öffnet das hierzu einstellbare Abgasrückführungsventil 5 genau für die Dauer des negativen Druckgefälles in den gleichen zeit­ lichen Abständen. Hierzu rotiert die Antriebswelle 23 des Abgasrückführungsventils 5 gekoppelt mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 mit einem konstanten Drehzahlverhält­ nis, welches dem Quotienten des Drehwinkels des Abgasrück­ führungsventils 5 zwischen zwei Freigaben und dem Drehwin­ kel der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 zwischen zwei Abgasdruckspitzen entspricht.

Stromab des Verdichters 3 ist in der Ladeluftleitung 25 ein Ladeluftkühler 7 angeordnet, wobei die Zuführung der rück­ geführten Abgasmenge in die Ladeluftleitung zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Ladeluftkühler 7 vorgesehen ist, um dessen Verschmutzung zu vermeiden. Stromab des Ab­ aasrückführungsventils 5 ist in der Abgasrückführungs­ leitung 4 zur Verbesserung des Betriebsverhaltens ein ab­ gaskühlender Wärmetauscher 6 angeordnet.

In einem in Fig. 2 dargestellten Ventilgehäuse 8 des Abgas­ rückführungsventils 5 ist ein als zu einer Einlaßöffnung 9 geöffnetes, hohlzylinderförmiges Rotationselement 11 ange­ ordnet, welches über eine Welle 23 um eine Ventillängsachse 13 rotierend antreibbar ist. Der Rotationszylinder 11 ist an seiner Außenseite mit einem Wälzlager 20 in dem Ventil­ gehäuse 8 geführt. In dem Ventilgehäuse 8 ist eine orthogo­ nal zu der Einlaßöffnung 9 verlaufende Auslaßöffnung 10 an­ geordnet, welche von einer Öffnung 18 in dem Rotationszy­ linder 11 freigebbar ist. An die Auslaßöffnung 10 schließt die Abgasrückführungsleitung 4 an, wobei die Symmetrieachse der Auslaßöffnung 10 eine Ventilachse 14 definiert.

Die Öffnung 18 erstreckt sich gemäß Fig. 3 auf dem kreis­ ringförmigen Querschnitt des Rotationszylinders 11 über einen Abschnitt, der einem Ventilöffnungswinkel β ent­ spricht. Ist der geöffnete Abschnitt 18 des Rotationszylin­ ders 11 in Überdeckung mit dem Querschnitt der Austritts­ öffnung 10 gebracht, öffnet das Ventil. Somit bestimmt der Ventilöffnungswinkel β die Öffnungsdauer des Abgasrückfüh­ rungsventils und, abhängig von der Drehzahl und der Drehwinkellage des Rotationszylinders 11, den Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Ventils.

Der Rotationszylinder 11 kann bei laufendem Verbrennungsmo­ tor gestoppt sein, wobei durch die Einstellung der Drehwin­ kellage der Öffnung 18 des Rotationszylinders 11 relativ zur Auslaßöffnung 10 die Abgasrückführungsrate bei im we­ sentlichen negativem Druckgefälle wählbar ist. Der Ro­ tationszylinder 11 deckt die Auslaßöffnung 10 nach Art einer Blende teilweise ab, wobei ein von der Öffnung 18 des Rotationszylinders 11 freigegebener Durchgangsquerschnitt 10′ der Auslaßöffnung 10 begrenzt ist. Dabei ist die maxi­ mal mögliche Abgasrückführungsrate bei vollständiger Über­ deckung der Rotationszylinderöffnung 18 mit der Auslaß­ öffnung 10 gegeben.

Liegt im gesamten Kennfeldbereich ein positives Druckge­ fälle zwischen Abgas- und Ansaugtrakt des Verbrennungsmo­ tors vor, ist der Rotationszylinder 11 in einer die Aus­ laßöffnung 10 verschließenden Drehwinkellage gestoppt, wo­ durch das Abgasrückführungsventil 5 geschlossen ist und die Abgasrückführungsleitung 4 gesperrt ist.

Das in Fig. 4 gezeigte Abgasrückführungsventil weist zwi­ schen dem Rotationszylinder 11 und der Ventilgehäusewand eine Schieberblende 21 auf, deren Querschnitt ein Abschnitt eines mit dem Rotationszylinder 11 konzentrisch verlaufen­ den Kreisringes ist. Die Schieberblende 21 ist im Bereich der Auslaßöffnung 10 in Richtung des Doppelpfeiles 27 um die Rotationsachse des Rotationszylinders 11 schwenkbar an­ geordnet. Die Abgasrückführungsrate des Abgasrückführungs­ ventils ist durch die Positionierung der Schieberblende 21 einstellbar, wobei die Schieberblende 21 die Auslaßöffnung 10 teilweise abdeckt und einen reduzierten Strömungsquer­ schnitt 10′ begrenzt. Die Bogenlänge der Schieberblende 21 ist so bemessen, daß sie in einer Endstellung des Schwenk­ bereiches den entsprechenden Bogenabschnitt der Auslaß­ öffnung 10 überragt, wodurch die Auslaßöffnung vollständig durch die Schieberblende abdeckbar ist.

Eine betriebspunktgerechte Einstellung der Position der Schieberblende 21 ist durch eine elektronisch gesteuerte Verstellmechanik vorgesehen, welche hier nicht dargestellt ist.

Die Ausgestaltung eines Abgasrückführungsventils mit einer Schieberblende hat den Vorteil, daß bei einem Betrieb mit negativem Druckgefälle jede beliebige Abgasrückführungsrate einstellbar ist, einschließlich einer Nullrate durch Sper­ rung der Auslaßöffnung 10. Bei einem Betrieb unter durch­ schnittlich positivem Drückgefälle mit kurzzeitig vorhan­ denem negativen Druckgefälle kann der Öffnungs- oder der Schließzeitpunkt des Abgasrückführungsventils variabel ein­ gestellt werden. Deckt die Schieberblende 21 den zuerst von der Öffnung des Rotationszylinders 11 überfahrenen Ab­ schnitt der Auslaßöffnung 10 ab, so ist der Öffnungszeit­ punkt mit einer dem freigegebenen Durchgangsquerschnitt 10′ entsprechenden Öffnungsdauer des Ventils einstellbar. Ist die Schieberblende 21 von der in Drehrichtung des Ro­ tationszylinders 11 abgelegenen Seite her in die Auslaß­ öffnung 10 eingeschoben, kann der Schließzeitpunkt des Ab­ gasrückführungsventils variiert werden.

Gemäß Fig. 5 ist in einer besonders vorteilhaften Ausge­ staltung eines Abgasrückführungsventils ein zweites, zur Einlaßöffnung offenes hohlzylinderförmiges Rotationselement 12 vorgesehen, welches den ersten Rotationszylinder 11 drehbefestigt in sich aufnimmt. Die Rotationszylinder 11 und 12 sind auf einer etwa dem halben Durchmesser ent­ sprechenden Umfangsbogenlänge in Überdeckung mit der Aus­ laßöffnung 10 bringbar geöffnet, wobei die relative Drehwinkellage zueinander den Ventilöffnungswinkel β und damit die Öffnungsdauer des Abgasrückführungsventils be­ stimmt. Die Rotationszylinder 11 und 12 sind orbital gegen­ einander verschieblich einstellbar, wobei der Rotations­ zylinder 12 in Drehrichtung mit einem Winkel δ gegen eine Bezugsachse 15 angestellt ist und der Rotationszylinder 11 gegen die Drehrichtung mit einem Winkel ε gegen die Bezugs­ achse 15 angestellt ist. Die Anstellwinkel δ und ε bilden gemeinsam den Ventilöffnungswinkel β, d. h. ein dem Anstell­ winkel δ entsprechender Öffnungsabschnitt 16 und ein dem Anstellwinkel δ entsprechender Öffnungsabschnitt 17 ergeben gemeinsam die dem Ventilöffnungswinkel β entsprechende Öffnung 18 des Abgasrückführungsventils. Durch den Anstell­ winkel δ des Rotationszylinders 12 ist der Öffnungszeit­ punkt und durch den Anstellwinkel ε des Rotationszylinders 11 der Schließzeitpunkt des Abgasrückführungsventils ein­ stellbar und die gemeinsame Bogenlänge der Öffnungsab­ schnitte 16 und 17, welche dem Ventilöffnungswinkel β ent­ spricht, begrenzt die Ventilöffnungsdauer bei Überdeckung mit der Auslaßöffnung 10.

Mit dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung eines Ab­ gasrückführungsventils ist eine Möglichkeit gegeben, bei einem Betrieb mit negativem Druckgefälle zwischen Abgas­ trakt und Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors jede beliebige Abgasrückführungsrate einzustellen und bei einem Betrieb unter durchschnittlich positivem Druckgefälle mit inter­ vallartig auftretendem negativen Druckgefälle für jeden Be­ triebspunkt die maximal mögliche Abgasrückführungsrate ein­ zustellen. Durch die präzise Anstellung der Rotationszylin­ der 11 und 12 ist ein sehr schnelles und zeitgenaues Öffnen und Schließen des Rotationsventils mit einer Ventil­ öffnungsdauer von zum Beispiel 10 ms gegeben, wodurch die Dauer des kurzzeitig in der Abgasrückführungsleitung anste­ henden negativen Druckgefälles optimal zur Abgasrückführung genutzt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Position der Rotations­ zylinder 11 und 12 mit einer hier nicht dargestellten Ver­ stellmechanik einzustellen, welche in Abhängigkeit von Be­ triebspunkten entsprechenden Einstellungsparametern ge­ steuert ist, und somit die Abgasrückführung regelt.

Zur Erläuterung der prinzipiellen Funktion ist in Fig. 6 beispielhaft ein vereinfachter Abgasdruckverlauf P_A darge­ stellt. Abhängig vom Öffnungszeitpunkt der Auslaßventile eines Verbrennungsmotors oszilliert der Abgasdruck um einen Mittelwerts, _A, welcher bei einem von einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungs­ leitung, welche die Auslaßseite des Verbrennungsmotors stromauf der Abgasturbine mit der Einlaßseite stromab des Ladeluftverdichters verbindet, niedriger ist als der Lade­ luftdruck P_L. Die durchschnittliche Druckdifferenz zwi­ schen dem Ladeluftdruck P_L und dem durchschnittlichen Ab­ gasdruck _A behindert eine kontinuierliche Abgasrück­ strömung, welche einem treibenden Druckgefälle in der Ab­ gasrückführungsleitung folgt.

Gasdynamische Effekte während des vierten Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors, resultierend aus der Abgaskompression vor und der Abgasexpansion nach Öffnen der Auslaßventile, sowie die Wechselwirkungen zwischen den zu unterschied­ lichen Zeitpunkten ausgeschobenen Abgasmassen, führen zu Druckspitzen _A im Abgasdruckverlauf, welche den durch­ schnittlichen Abgasdruck _A deutlich übersteigen. Dabei treten die Druckspitzen periodisch in bestimmten Abständen α zwischen den Zeitpunkten 2 und den entsprechenden Drehwinkelabständen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf. Zum Zeitpunkt 1 übersteigt der Abgasdruck P_A das Lade­ luftniveau P_L, erreicht das Maximum zum Zeitpunkt 2 und fällt zum Zeitpunkt 3 wieder unter das Ladeluftdruckniveau P_L, wodurch zwischen den Zeitpunkten 1 und 3 ein das Abgas durch die Abgasrückführungsleitung treibendes negatives Druckgefälle ΔP- zwischen der Auslaßseite und der Einlaß­ seite des Verbrennungsmotors vorliegt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist in der Abgasrückführungsleitung ein Abgasrückführungsventil vorge­ sehen, welches die Abgasrückführungsleitung für die Dauer des treibenden Druckgefälles ΔP- zwischen den Zeitpunkten 1 und 3 zeitgenau freigibt und zwischen den Zeitpunkten 3 und 1 bei positivem Druckgefälle ΔP+ schließt. Hierzu umfaßt das Abgasrückführungsventil wie beschrieben ein oder zwei Rotationselemente, welche auf ihrem Umfang teilweise ge­ öffnet sind, und zwischen den Zeitpunkten 1 und 3 eine Drehwinkelstellung erreichen, in der die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung des Abgasrückführungsventils verbunden sind.

Die Drehzahl der Rotationszylinder ist an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt, wobei das konstante Drehzahl­ verhältnis gewährleistet, das während des in der Zeitspanne α zwischen zwei Druckspitzen umgelaufenen Winkelbetrags der Kurbelwelle das rotierende Bauteil des Abgasrückführungs­ ventils eine volle Umdrehung zur erneuten Ventilöffnung durchführt. Beispielhaft beträgt die Ventildrehzahl bei einer Druckspitzendifferenz α von 240° KW das 1,5fache der Verbrennungsmotordrehzahl.

Fig. 7 zeigt ein Abgasrückführungsventil mit zwei Ro­ tationszylindern (siehe Fig. 5) in der Drehwinkelstellung zum Zeitpunkt 1. Zu diesem Zeitpunkt übersteigt der Abgas­ druck den Ladeluftdruck, wodurch das für die Abgasrückfüh­ rung nutzbare negative Druckgefälle in der Abgasrückfüh­ rungsleitung vorliegt, und das Abgasrückführungsventil öffnet. Der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt des Abgas­ rückführungsventils ist dabei durch die Anstellungswinkel δ und ε der Rotationszylinder 12 und 11 gegen die Bezugsachse 15 bestimmt. Die Summe der Anstellwinkel δ und ε, welche dem Ventilöffnungswinkel β entspricht, bestimmt die Bogenlänge der Ventilöffnung und regelt somit die Abgas­ rückführungsrate.

Zum Zeitpunkt 2 befinden sich die Rotationszylinder 11 und 12 in einer Drehwinkelstellung gemäß Fig. 8 wobei die die Abgasrückführungsleitung freigebende Ventilöffnung mittig mit der Auslaßöffnung des Ventilgehäuses in Überdeckung ge­ bracht ist. Dabei fällt die Bezugsachse 15 der Anstellwin­ kel δ und ε mit der Symmetrieachse der Auslaßöffnung zusam­ men, und die rückzuführenden Abgase werden infolge des höchstmöglichen Abgasdrucks durch das offene Abgasrückfüh­ rungsventil gedrückt.

Zum Zeitpunkt 3 unterschreitet der Abgasdruck das Lade­ druckniveau, wodurch das treibende Druckgefälle in der Ab­ gasrückführungsleitung umgekehrt ist, und die Rotations­ zylinder 11 und 12 des Abgasrückführungsventils erreichen eine Drehwinkelstellung gemäß Fig. 9, in der das Ventil zeitgenau durch die Anstellung des Rotationszylinders 12 mit dem Winkel ε gegen die Bezugsachse 15 eingestellt schließt. Zwischen den Zeitpunkten 3 und 1 ist die Abgas­ rückführungsleitung durch das Abgasrückführungsventil ge­ sperrt, wodurch keine, dem positiven Druckgefälle folgende Strömung von der Ladeluftleitung zu der Abgasleitung auf­ tritt. Somit ist die Abgasrückführungsrate verbessert und der für eine Abgasrückführung nutzbare Kennfeldbereich des Verbrennungsmotors erweitert.

Das in Fig. 10 dargestellte Abgasrückführungsventil 5 mit orthogonal zueinander anschließenden Abschnitten der Abgas­ rückführungsleitung 4 ist gekoppelt an die Drehzahl des hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors von einem sepa­ raten Elektromotor 19 angetrieben. Dabei ist der Elektromo­ tor 19 elektronisch gesteuert von einem Steuerglied 28, welches in Abhängigkeit von den ihm über Datenleitungen 29 zugeleiteten Parameterdaten die Drehzahl des Elektromotors 19 und damit des Abgasrückführungsventils 5 variabel ein­ stellt. Die Datenleitungen 29 übermitteln dem Steuerglied 28 unter anderem gemessene Werte der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors sowie Kennfelddaten über die nach dem erfindungsgemäßen Abgasrückführungsverfahren notwendige Drehzahl des Abgasrückführungsventils.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Variante eines Abgasrück­ führungsventils 5 ist in einem Ventilgehäuse 8 ein schei­ benförmig ausgebildetes Rotationselement 11 über eine Welle 23 rotierend antreibbar angeordnet. Eine Abgasrückführungs­ leitung ist abgastraktseitig mit einer Einlaßöffnung 9 und ansaugtraktseitig mit einer Auslaßöffnung des Ventilge­ häuses 8 verbunden. Dabei sind die Ventilöffnungen 9 und 10 koaxial und exzentrisch zu einer Ventilachse 13 benachbart den Stirnseiten der Rotationsscheibe 11 angeordnet. Die Ro­ tationsscheibe 11 ist von einer exzentrischen Öffnung 18 durchsetzt, welche in Überdeckung mit den Ventilgehäuse­ öffnungen 9 und 10 bringbar ist, so daß bei Überdeckung der Öffnungen die Abgasrückführungsleitung 4 freigegeben ist. Der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt sowie die Öffnungs­ dauer des Abgasrückführungsventils ist in Abhängigkeit von den oben beschriebenen Motorparametern durch die Bogenlänge der Rotationsscheibenöffnung 18 bestimmbar.

Die Anordnung des erfindungsgemäßen Abgasrückführungs­ ventils verhindert bei hoher Last und starkem positivem Druckgefälle prinzipbedingt eine schädliche Verringerung der Druckverhältnisse durch eine zu hohe Abgasrückführungs­ rate. Es ermöglicht eine Abgasrückführung in Kennfeldberei­ chen mit positivem Druckgefälle ohne zusätzliche Anordnung kostenintensiver Bauteile und ist auf einfache Art in be­ reits installierte Abgasrückführungssysteme nachrüstbar.

Claims (19)

1. Aufgeladener Verbrennungsmotor (1), mit einer Abgas­ rückführungsleitung (4) mit einem positiven Druckge­ fälle von einem Abgastrakt mit durchschnittlich nied­ rigem Abgasdruckniveau zu einem Ansaugtrakt mit durch­ schnittlich hohem Ladedruckniveau, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführungs­ leitung (4) eine Sperreinrichtung (5) angeordnet ist, welche bei kurzzeitig vorhandenen negativen Druckge­ fällen öffnet.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Verbren­ nungsmotors (1) durch einen aus einer Abgasturbine (2) und einem Luftverdichter (3) bestehenden Abgasturbola­ der vorgesehen ist, wobei die Abgasentnahme stromauf der Turbine (2) und die Abgaszuführung stromab des Ver­ dichters (3) erfolgt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sperreinrichtung ein Abgasrückführungsventil (5) vorgesehen ist, welches in einem Ventilgehäuse (8) zwischen einer Einlaßöffnung (9) und einer Auslaßöffnung (10) angeordnet ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (10) ab­ gewinkelt, insbesondere orthogonal zu der Einlaßöffnung (9) angeordnet ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ventilgehäuse (8) ein Rotationselement (11) umläuft, welches in Abhängig­ keit von der Umlaufwinkelstellung die Verbindung zwi­ schen Einlaßöffnung (9) und Auslaßöffnung (10) frei­ gibt.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationselement (11) als zu einer Gehäuseöffnung (9 oder 10), vorzugsweise der Einlaßöffnung (9), offener Hohlzylinder ausgebildet ist, der über eine Welle (23) um eine Symmetrieachse (13) der Öffnung rotierend antreibbar ist, wobei das Rotationselement (11) in seiner Zylinderwand eine Öff­ nung aufweist, die über einen einem Kreisabschnitt (18) entsprechenden Winkel (β) reicht und in Überdeckung mit der anderen Gehäuseöffnung (10) bringbar ist, so daß bei Überdeckung der Öffnungen die Abgasrückführungs­ leitung (4) freigegeben ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationselement (11) als Scheibe ausgebildet ist, welche zwischen den koaxial verlaufenden Einlaß- und Auslaßöffnungen (9, 10) über eine Welle (23) rotierend antreibbar angeord­ net ist, wobei die Scheibe von einer Öffnung durchsetzt ist, die in Überdeckung mit den Gehäuseöffnungen (9, 10) bringbar ist, so daß bei Überdeckung der Öffnungen die Abgasrückführungsleitung freigegeben ist.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Drehzah­ len von dem Rotationselement (11) und dem Verbrennungs­ motor (1) konstant ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationselement (11) mechanisch gekoppelt von dem Verbrennungsmotor (1) oder durch einen separaten Elektromotor (19) mit elektro­ nischer Kopplung mit der Verbrennungsmotordrehzahl an­ treibbar ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationselement (11) bei einem Betrieb unter negativem Druckgefälle in einer einen gewünschten Öffnungsquerschnitt (10′) der Aus­ laßöffnung (10) freigebenden Position destoppt werden kann.

11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine verstellbare Schieber­ blende (21) vorgesehen ist, welche den Querschnitt der von dem Rotationselement (11) überfahrenen Ventilge­ häuseöffnung (10) teilweise abdeckt.

12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites hohlzylinder­ förmiges Rotationselement (12) vorgesehen ist, welches das erste Rotationselement (11) aufnimmt, wobei die Ro­ tationselemente (11 und 12) einstellbar aneinander drehbefestigt sind und um dieselbe Achse (13) rotieren.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationselemente (11 und 12) in einem Abschnitt (18) radial etwa einem hal­ ben Umfang entsprechend und axial etwa fluchtend mit dem Durchmesser der überfahrenen Gehäuseöffnung (10) geöffnet sind.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ventilöffnungswin­ kel (β) entsprechende Kreisabschnitt (18) durch eine einstellbare, zueinander versetzte Anordnung der Öff­ nungen (18) der Rotationselemente (11 und 12) bestimm­ bar ist.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkellage der Ro­ tationselemente (4 und 5) relativ zueinander mittels einer Verstellmechanik einstellbar ist.

16. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Kennfeldsteuerung der Abgasrückführung in entsprechenden betriebspunkt­ abhängigen Kennfeldern Daten der Öffnungs- und Schließ­ zeitpunkte des Abgasrückführungsventils (5) sowie der Ventilöffnungswinkel (β) und dem entsprechenden freige­ gebenen Kreisabschnitt (18) der Rotationselemente (11 und 12) abgelegt sind.

17. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Abgasrück­ führung auf der Messung der Verbrennungsmotordrehzahl und der statischen Drücke stromauf und stromab des Ab­ gasrückführungsventils (5) basiert.

18. Verfahren zum Rückführen von Abgasen in einem aufgela­ denen Verbrennungsmotor (1) von einem Abgastrakt mit niedrigem Abgasdruckniveau zu einem Ansaugtrakt mit ho­ hem Druckniveau, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdruck periodisch den Ladedruck in Zeitintervallen (α) übersteigt und die Abgasrückführungsleitung (4) in den Zeitintervallen (α) zur Nutzung des abgastreibenden Druckgefälles geöffnet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten von Abgas­ druckspitzen im Zeitintervall (α) abhängig ist von den Parametern der Öffnung der Zylinderauslaßkanäle und der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) und die Freigabe der Abgasrückführungsleitung (4) diesen Parametern ent­ sprechend einstellbar ist.