DE19756060C1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgas-Rückführungsvorrichtung - Google Patents
Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgas-RückführungsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader und einer Abgas-Rückführungsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 43 31 509
C1 bekannt. Über die Abgas-Rückführungsvorrichtung dieser
Brennkraftmaschine ist Abgas aus dem Abgasstrang in den An
saugtrakt zur Minderung des NOx-Gehaltes von Dieselmotoren
rückgeführt. Um eine Verschmutzung der Rückführungsvorrich
tung und einen Verschleiß des Dieselmotors zu vermeiden,
ist in der Rückführungsleitung ein Rußfilter angeordnet,
das die Rußpartikel vor der Einleitung in den Ansaugtrakt
aus dem Abgas ausfiltert. Problematisch hierbei ist, daß
das Filter aufgrund seiner Position stromabwärts der Ab
gasturbine relativ weit vom Zylinderauslaß entfernt liegt,
so daß die Abgastemperatur im Filter bereits abgesunken
ist. Es ist nicht sicher gewährleistet, daß die Abgastempe
ratur im Filter die für eine Verbrennung der Rußpartikel
erforderliche Mindesttemperatur erreicht. In diesem Fall
kann sich das Filter nicht regenerieren und setzt sich zu,
so daß der Filterwirkungsgrad abfällt. Es besteht die Ge
fahr, daß die Rückführungsvorrichtung und die Zylinder
durch die Rußpartikel verschmutzt werden.
Nachteilig ist außerdem, daß der Raumbedarf des Rußfilters
nur durch kostenintensive konstruktive Anpassungen in der
Rückführungsleitung geschaffen werden kann.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, in einer Brenn
kraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgas-
Rückführungsvorrichtung die Betriebssicherheit ohne wesent
lichen konstruktiven Mehraufwand zu erhöhen.
Dieses Problem wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Wegen der Integration des Filters in das Gehäuse der Turbi
ne ist die Rückführungsvorrichtung platzsparend ausgebil
det, wobei das Turbinengehäuse nicht oder nur geringfügig
größer ausgeführt sein muß. Besondere Maßnahmen, um das
Filter in die Leitung der Rückführungsvorrichtung einzupas
sen, können entfallen, so daß bereits vorhandene Rückfüh
rungsleitungen verwendet werden können.
Durch die Lage des Filters nahe am Zylinderauslaß ist die
Abgastemperatur hoch genug, daß ein sicheres Abbrennen der
im Filter angestauten Rußpartikel gewährleistet ist.
Zweckmäßig ist im Turbinengehäuse ein Spiralkanal ausgebil
det, über den das Abgas dem Laufrad der Turbine zugeführt
ist, wobei das Filter sowohl radial als auch axial zwischen
dem Spiralkanal und der Gehäusewandung angeordnet sein
kann. Die mit hoher Geschwindigkeit durch den Spiralkanal
geleiteten Abgaspartikel werden auf der Spiralbahn tangen
tial abgelenkt und treffen auf das Filter, das in Form ei
ner Ummantelung den Spiralkanal umgibt und die Wärmeab
strahlung vermindert sowie geräuschdämpfend wirkt.
Der Spiralkanal ist bevorzugt über eine Wandung vom Filter
abgeteilt, die mit Durchtrittsöffnungen für das Abgas ver
sehen ist. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung ist
die Wandung gasdurchlässig porös ausgebildet. In jedem Fall
kann die Wandung des Spiralkanals als Vorfilter wirken. Ge
gebenenfalls kann auch die Wandung selbst das Filter bil
den. Die Kanalausbildung kann einem Spiralzyklon entspre
chen, um die Rußteilchen vom Gasstrom an die Wandung auszu
scheiden.
Auf der Innenseite der Gehäusewand, dem Filterkörper des
Filters zugewandt, ist vorteilhaft eine Isolierschicht auf
gebracht, die wärmeisolierend, geräusch- und schwingungs
dämpfend wirkt.
In der Rückführleitung ist zweckmäßig ein Regelventil ange
ordnet, über das der in den Ansaugtrakt rückgeführte Ab
gasstrom eingestellt werden kann. In Verbindung mit einer
variablen Turbinengeometrie ermöglicht das Regelventil eine
Umkehrung der Strömungsrichtung in der Abgas-Rückführung.
Die Strömung kann in weiten Betriebsbereichen des Motors
umgekehrt werden, so daß dem Filter Sauerstoff aus dem An
saugtrakt zugeführt wird, der in der Abbrennphase zu einem
besseren Abbrennen der Rußpartikel führt. Außerdem wird im
Teillastbereich der dem Motor zugeführte Luftstrom abge
senkt, wodurch das Luft/Kraftstoffverhältnis verbessert
bzw. der Ladungswechsel begünstigt wird.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeich
nungen zu entnehmen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Brennkraftma
schine mit Abgasturbolader und Abgas-Rückfüh
rungsvorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Turbine eines Turbo
laders mit variabler Turbinengeometrie und
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Turbine eines Turbo
laders mit Festgeometrie.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1, insbesondere eine
Diesel-Brennkraftmaschine, dargestellt. Die Brennkraftma
schine 1 weist zur Leistungssteigerung einen Abgas-
Turbolader 2 mit einer Turbine 4 im Abgasstrang 7 und einem
Verdichter 5 im Ansaugtrakt 8 der Brennkraftmaschine auf.
Die Turbine 4, die mit variabel einstellbarer oder mit
feststehender Geometrie der Turbinenschaufeln ausgestattet
ist, wird von der kinetischen und potentiellen Energie des
Abgases im Abgasstrang 7 betätigt und treibt ihrerseits
über eine gemeinsame Welle 6 den Verdichter 5 im Ansaug
trakt 8 an. Über den Verdichter 5 wird der Ladedruck der
Verbrennungsluft im Ansaugtrakt 8 erhöht.
Es ist weiterhin eine Abgas-Rückführungsvorrichtung 3 vor
gesehen, mittels der zur Minderung des NOx-Ausstoßes Abgas
aus dem Abgasstrang 7 in den Ansaugtrakt 8 der Brennkraft
maschine 1 geleitet wird. Das Abgas wird in einem Filter 10
gereinigt, bevor es in die Rückführleitung 9 der Rückfüh
rungsvorrichtung 3 einströmt. Insbesondere bei Diesel-
Brennkraftmaschinen ist durch die Filterung gewährleistet,
daß die im Abgas enthaltenen Rußpartikel nicht in die Rück
führungsvorrichtung 3 und in die Zylinder der Brennkraftma
schine 1 gelangen und dort Schäden anrichten können.
Das Filter 10 für die Filterung des Abgases ist in dem
asymmetrisch ausgebildeten Gehäuse 11 der Turbine 4 ange
ordnet. Diese Anordnung zeichnet sich durch eine besonders
platzsparende Ausführung aus. Das Abgas mündet in einen
Spiralkanal 12, der im Turbinengehäuse 11 ausgebildet ist.
Der Filterkörper des Filters 10 grenzt unmittelbar an den
Spiralkanal an. Das der Rückführungsvorrichtung 3 zugeführ
te Abgas wird im Filter 10 gereinigt, der andere Teil des
Abgases treibt das Laufrad der Turbine 4 an und wird in
Pfeilrichtung 23 in den der Turbine nachgeschalteten Lei
tungsabschnitt 24 des Abgasstrangs 7 ausgeleitet.
Auf der Reinseite des Filters 10 zweigt am Turbinengehäuse
11 die Rückführleitung 9 ab, so daß nur gereinigtes Abgas
aus der Turbine 4 über die Rückführleitung 9 in den Ansaug
trakt 8 geleitet wird. Das gereinigte Abgas kann insbeson
dere im Teillastbetrieb auch über ein Auslaßventil 22 aus
der Turbine in den Leitungsabschnitt 24 des Abgasstrangs 7
ausgeblasen werden.
Die Abgas-Rückführungsvorrichtung 3 umfaßt außer der Rück
führleitung 9 auch ein Regelventil 18, das in der Rückführ
leitung 9 angeordnet ist und über das die rückgeführte Ab
gasmenge einstellbar ist. Die Stellung des Regelventils 18
wird über Regelsignale 28 bestimmt, die in Abhängigkeit des
Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 1 von einer Rege
lung 25 für die Abgas-Rückführung, einer Regelung 26 für
das Teillastverhalten und einer Regelung 27 für das Abbren
nen des im Filter angesammelten Rußes erzeugt werden. Über
das Regelventil 18 läßt sich die Strömungsrichtung in der
Rückführleitung 9 umkehren, so daß Frischluft aus dem An
saugtrakt über die Rückführleitung 9 zum Filter 10 geleitet
wird. Die Richtungsumkehr erfolgt zweckmäßig während der
Rußabbrennphase, um dem Filter 10 Sauerstoff für den
Freibrand zuzuführen, oder während des Teillastbetriebs zur
Absenkung der Motorluftmasse, damit die Kraftstoffverbren
nung im Bereich des optimalen Luft/Kraftstoffverhältnisses
ablaufen und eine wesentliche Begünstigung des Ladungswech
sels erfolgen kann. Die Richtungsumkehr kann bei Turbinen
mit variabler Turbinengeometrie durch entsprechendes Ein
stellen der Turbinenleitschaufeln unterstützt werden.
Stromab des Regelventils 18 befindet sich ein Wärmetauscher
19 zur Kühlung des rückgeführten Abgases. Die Rückführlei
tung 9 mündet unmittelbar vor den Zylindern der Brennkraft
maschine 1 in den Ansaugtrakt 8.
Optional kann als Niederdruckvariante eine zusätzliche
Rückführleitung 29 zwischen dem Abgasstrang 7 und dem An
saugtrakt 8 vorgesehen sein, die stromab der Turbine 4 vom
Leitungsabschnitt 24 abzweigt und stromauf des Verdichters
5 in die Ansaugleitung einmündet. Vor dem Verdichter 5
herrscht Atmosphärendruck in der Ansaugleitung, so daß in
dieser Ausführung kein erhöhter Druck im Ansaugtrakt über
wunden werden muß.
Im Ansaugtrakt 8 ist stromab des Verdichters 5 ein Wärme
tauscher 30 angeordnet, um die Temperatur der verdichteten
Verbrennungsluft zu senken.
In Fig. 2 ist eine Turbine 4 mit variabler Turbinengeome
trie dargestellt. Die Turbine besteht aus einem Gehäuse 11
mit Gehäusewandung 14 und einem Spiralkanal 12, über den
das Abgas dem Laufrad 13 und den Turbinenschaufeln 32 zuge
führt wird. Dem Laufrad 13 sind variabel einstellbare Vor
leitgitter 31 zugeordnet.
Das Filter 10 ist zwischen dem Spiralkanal 12 und der Ge
häusewandung 14 angeordnet. Das Filter 10 ist vom Spiralka
nal 12 durch eine Wandung 15 getrennt, in die eine Mehrzahl
von Durchtrittsöffnungen 16 eingebracht sind, durch die das
Abgas vom Spiralkanal in das Filter 10 einströmen kann. Die
Anzahl der Durchtrittsöffnungen kann variieren. Die Wandung
15 bildet ein Vorfilter zur Abscheidung der Rußpartikel.
Gegebenenfalls kann die Wandung auch gasdurchlässig und po
rös ausgebildet sein.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführung kann es zweckmä
ßig sein, nur eine zentrale Durchtrittsöffnung in der Wan
dung des Spiralkanals auszubilden. Es kann auch vorteilhaft
sein, die Wandung als Gitter, dem die Funktion eines Fil
ters zukommt, auszubilden. In dieser Ausführung wie auch in
der Ausführung mit poröser Wandung kann auf ein separates
Filter verzichtet werden; der Raum zwischen der Wandung des
Spiralkanals und der Gehäusewandung übernimmt dann die Auf
gabe eines Abscheiders.
Das Filter 10 umgibt den Spiralkanal 12 sowohl radial als
auch axial und erstreckt sich über den Umfang der Spiral
wandung; entsprechend verlaufen die Durchtrittsöffnungen 16
radial und axial in der Wandung 15 des Spiralkanals 12.
Auch die Gehäusewandung 14 umschließt den Spiralkanal und
das Filter radial und axial.
Auf die Innenseite der Gehäusewandung 14, die Reinseite des
Filters 10, ist eine Isolierschicht 17 aufgebracht, die
wärmeisolierend, geräusch- und schwingungsdämpfend wirkt.
Der Filterkörper des Filters 10 ist als keramischer, porö
ser Monolith oder als metallischer Faser- oder Wickelfilter
ausgebildet.
In Fig. 3 ist eine Turbine 4 mit Festgeometrie gezeigt. Der
Spiralkanal 12 der Turbine 4 besteht aus zwei benachbarten,
parallel verlaufenden Abgasfluten 20, 21, die durch einen
einragenden Wandabschnitt 33 voneinander getrennt sind und
eine unterschiedlich große Querschnittsgeometrie aufweisen.
Die Abgasflut 21 mit kleinerer Querschnittsgeometrie liegt
benachbart zu der Wandung 15 des Spiralkanals mit den
Durchtrittsöffnungen 16 zum Filter 10. Die kleinere Abgas
flut 21 erfährt im Vergleich zur größeren Abgasflut 20 hö
here Gaseintrittsdrücke, die den Durchtritt durch den Fil
terkörper unterstützen.
Auf die Innenseite der Gehäusewandung 14 des Gehäuses 11
ist wiederum eine Isolierschicht 17 aufgebracht.
Claims (16)
1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer
Abgas-Rückführungsvorrichtung, wobei der Abgasturbolader
(2) eine Turbine (4) im Abgasstrang (7) und einen Verdich
ter (5) im Ansaugtrakt und die Abgas-
Rückführungsvorrichtung (3) eine Rückführleitung (9) zwi
schen dem Abgasstrang (7) und dem Ansaugtrakt (8) umfaßt,
und mit einem Filter (10) zur Reinigung des Abgases,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (10) im Gehäuse (11) der Turbine (4) ange
ordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückführleitung (9) an der Reinseite des Filters
(10) am Turbinengehäuse (11) abzweigt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Turbinengehäuse (11) ein Spiralkanal (12) angeordnet
ist, über den das Abgas dem Laufrad (13) der Turbine (4)
zugeführt ist, wobei das Filter (10) zwischen dem Spiralka
nal (12) und der Gehäusewandung (14) des Turbinengehäuses
(11) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (10) radial zwischen dem Spiralkanal (12)
und der Gehäusewandung (14) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (10) axial zwischen dem Spiralkanal (12) und
der Gehäusewandung (14) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spiralkanal (12) auf der dem Filter (10) zugewand
ten Seite eine Wandung (15) mit Durchtrittsöffnungen (16)
für das Abgas aufweist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung (15) des Spiralkanals (12) porös ausgebil
det ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Gehäusewandung (14) der Turbine (4) und
dem Filter (10) eine Isolierschicht (17) vorgesehen ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterkörper des Filters (10) als keramischer, po
röser Monolith ausgebildet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterkörper des Filters (10) ein metallischer Fa
ser- oder Wickelfilter ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Rückführleitung (9) der Abgas-
Rückführungsvorrichtung (3) ein Regelventil (18) angeordnet
ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Rückführleitung (9) ein Wärmetauscher (19) ange
ordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückführleitung (9) zwischen dem Verdichter (5) und
dem Verbrennungsmotor in den Ansaugtrakt (8) mündet.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückführleitung (9) stromauf des Verdichters (5) in
den Ansaugtrakt (8) mündet.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine (4) eine variable Turbinengeometrie auf
weist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine (4) eine zweiflutige Festgeometrie-
Radialturbine ist, wobei die beiden Abgasfluten (20, 21)
der Turbine (4) unterschiedlich große Querschnitte aufwei
sen und das Filter (10) benachbart zur kleineren Abgasflut
(21) angeordnet ist.
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