DE19756060C1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgas-Rückführungsvorrichtung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgas-Rückführungsvorrichtung

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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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