DE19623970A1 - Aufgeladener Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungsleitung - Google Patents
Aufgeladener Verbrennungsmotor mit einer AbgasrückführungsleitungInfo
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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 PA 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 PL. Die durchschnittliche Druckdifferenz zwi
schen dem Ladeluftdruck PL 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 PA das Lade
luftniveau PL, erreicht das Maximum zum Zeitpunkt 2 und
fällt zum Zeitpunkt 3 wieder unter das Ladeluftdruckniveau
PL, 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19623970A DE19623970C2 (de) | 1996-06-15 | 1996-06-15 | Aufgeladener Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungsleitung |
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