DE19902290A1

DE19902290A1 - Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE19902290A1
Application number: DE19902290A
Authority: DE
Inventors: Edgard Grundmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvorrichtung, umfassend einen Katalysator (3), ein Abgasrohr (4), eine Abgasklappe (5), ein Abgasrückführungsrohr (8) und einen Wärmetauscher (1), wobei der Wärmetauscher (1) und das Abgasrückführungsrohr (8) hinter dem Katalysator (3) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvorrichtung, die einen Katalysator, ein Abgasrohr, eine Abgasklappe, ein Abgasrückführungsrohr und einen Wärmeaustauscher umfaßt.

Kraftfahrzeuge werden üblicherweise durch Brennkraftmaschinen angetrieben. Bekannte Brennkraftmaschinen sind Kolbenmaschinen, deren intermittierende Arbeitsweise dazu führt, daß die Verbrennungsprozesse nicht optimal ablaufen. Als Folge entstehen neben den unschädlichen Verbrennungsprodukten Wasser und Kohlendioxid beträchtliche Mengen an Schadstoffen. Zu den wichtigsten Schadstoffen von Brennkraftmaschinen, die zusammen mit dem Abgas an die Umwelt abgegeben werden, zählen Stickoxide (NO_x). Die Bildung von Stickoxiden ist maßgeblich von der Verbrennungs-Spitzentemperatur abhängig. Um die Verbrennungs-Spitzentemperatur zu senken, sind verschiedene Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführung als temperatursenkende Maßnahme ausgestattet. Bei der äußeren Abgasrückführung ist eine Abgasrückführleitung vorgesehen, die den Abgaskrümmer (die Abgasleitung) der Brennkraftmaschine mit dem Ansaugkrümmer (dem Ansaugrohr) verbindet. Ein Teil der beim Auspuffvom Kolben aus dem Verbrennungsraum verdrängten Abgase wird über diese Abgasrückführleitung beim nachfolgenden Ansaugtakt zusammen mit Kraftstoff-Luftgemisch (beim Otto-Motor) oder Verbrennungsluft (beim Diesel-Motor) wieder zurückgeführt.

Der Anteil an rückführendem Abgas an der Zylinderfüllung kann nicht beliebig erhöht werden, da bei zu mageren Gemischen die Kohlenwasserstoff-Emissionen ansteigen.

Ein anderer Weg, die Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen zu senken, ist es, den spezifischen Verbrauch zu senken. Insbesondere moderne direkt einspritzende Dieselmotoren erreichen dabei so gute Wirkungsgrade, daß Fahrzeugmotoren durchschnittlicher Größe bei dieser Bauweise im Teillastbereich häufig nicht mehr genug Verlustwärme produzieren, um den Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeuges bei niedrigen Außentemperaturen ausreichend beheizen zu können.

Es sind daher elektrische Zusatzheizungen bekannt geworden, die bei ungünstigen Betriebsbedingungen, d. h. Warmlaufen der Brennkraftmaschine und niedriger Außentemperatur, beispielsweise das zur Heizung verwendete Kühlwasser der Brennkraftmaschine zusätzlich aufheizen und Leistungen zwischen zirka 500 W und 1 kW bereitstellen. Der mit solchen elektrischen Zusatzheizungen verbundene Aufwand umfaßt insbesondere auch größere Generatoren (Lichtmaschinen), so daß neben den Fertigungskosten auch das Fahrzeuggewicht ansteigt, was den primären Zielsetzungen, niedrige spezifische Verbräuche zu erreichen, zuwider läuft.

Es sind auch spezielle im Abgasstrang angeordnete Wärmetauscher bekannt geworden, beispielsweise aus der DE-PS 31 03 198 C2, um zusätzliche Heizleistung bereitzustellen. Solche Wärmetauscher entziehen dem Abgas zwar Wärme, jedoch an einer Stelle im Abgasstrang, bei der ein positiver Effekt auf die Verbrennungs-Spitzentemperatur und damit eine Senkung der Stickoxid-Emission nicht möglich ist.

Aus der WO 97/47 865 ist eine Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvorrichtung für den Fahrgastinnenraum durch eine Wärmetauscheinrichtung bekannt, mittels derer Wärme von dem durch die Abgasrückführungsleitung rückgeführten Abgas der Heizvorrichtung zuführbar ist, wobei die Wärme zwischen der Brennkraftmaschine und der Heizvorrichtung direkt oder indirekt in den Heizkreislauf einspeisbar ist. Durch die Anordnung eines Wärmetauschers in der von dem Katalysator angeordneten Abgasrückführleitung werden einerseits die rückgeführten Abgase gekühlt, so daß die Verbrennungs- Spitzentemperatur und damit die Stickoxid-Emissionen gesenkt werden können, ohne daß sich die negativen Folgen eines zu hohen Anteils an rückgeführtem Abgas ergeben, andererseits kann auf konstruktiv einfache Weise eine Zusatzheizleistung bereitgestellt werden. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, daß insgesamt das Abgasverhalten nicht befriedigend ist.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvermittlung zu schaffen, die ein verbessertes Abgasverhalten aufweist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Anordnung des Wärmetauschers und des Abgasrückführungsrohres hinter dem Katalysator wird das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine erheblich verbessert, da auch die rückgeführten Anteile des Abgases im Katalysator gereinigt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Wärmetauscher zwei Abgaswärmetauscherrohrenden, die jeweils einem Teilstrang zugeordnet sind, wobei ein Abgaswärmetauscherrohrende vor und eins hinter der Abgasklappe in das Abgasrohr einmündet. Durch Öffnen bzw. Schließen der Abgasklappe kann dann die Betriebsart geändert werden. Wird beispielsweise im Sommer keine Heizleistung benötigt, so wird die Abgasklappe geöffnet. Der von der Mischeinrichtung benötigte Abgasanteil wird dann mittels einer Ansaugvorrichtung über die beiden Wärmetauscherrohrenden angesaugt, heruntergekühlt und der Brennkraftmaschine zugeführt. Der nicht benötigte Abgasanteil verläßt ungekühlt das Kraftfahrzeug. Dadurch wird erreicht, daß der für die Zumischung benötigte Abgasanteil gekühlt werden kann, ohne den Kühlkreislauf unnötig mit der zusätzlichen Abwärme zu belasten. Wird hingegen beispielsweise im Winter zusätzliche Heizleistung benötigt, so wird die Abgasklappe ganz oder teilweise geschlossen. Das umgelenkte Abgas durchströmt den ersten Teilstrang und wird gekühlt. Der für die Mischung nicht benötigte Anteil durchläuft dann den zweiten Teilstrang und wird weiter entwärmt. Dadurch ist es im Gegensatz zu den bisher bekannten Einrichtungen möglich, bei Bedarf den gesamten Abgasstrom als Wärmereservoir zu nutzen, ohne den Kühlkreislauf zu belasten und gleichzeitig ein verbessertes Abgasverhalten zu erzielen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung und einem Wärmetauscher

Fig. 2 eine Schnittdarstellung an der Schnittlinie A-A und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Teildarstellung gemäß Fig. 1.

Die Brennkraftmaschine umfaßt einen Katalysator 3, ein Abgasrohr 4, eine Abgasklappe 5, einen Wärmetauscher 1 und ein Abgasrückführungsrohr 8. Das Abgasrohr 4 ist mit dem Ausgang des Katalysators 3 verbunden und mittels der Abgasklappe 5 verschließbar. Der Wärmeaustauscher 1 umfaßt zwei Teilstränge a, b, die mittels eines Rohrbogens 9 miteinander verbunden sind. Den beiden Teilsträngen a, b ist jeweils ein Abgaswärmeaustauschrohrende 7, 6 zugeordnet, wobei das dem Teilstrang a zugeordnete Abgaswärmetauscherrohrende 7 vor und das dem Teilstrang b zugeordnete Abgaswärmetauscherrohrende 6 hinter der Abgasklappe 5 in das Abgasrohr 4 einmündet. Das Abgasrückführungsrohr 8 ist an dem Rohrbogen 9 angeordnet und somit ebenfalls mit den beiden Teilsträngen a, b verbunden. Des weiteren ist der Wärmetauscher 1 mit zwei Stutzen 10, 12 und einer Leitung 11 zur Zu- und Abführung einer die Abgaswärme aufnehmende Kühlflüssigkeit ausgebildet.

Die Brennkraftmaschine kann prinzipiell in zwei verschiedenen Betriebszuständen arbeiten, nämlich mit und ohne zusätzliche Heizwärmeentnahme. Bei der Betriebsweise ohne zusätzliche Heizwärmeentnahme wird die Abgasklappe 5 geöffnet. Das Abgas 2 strömt vom Motor kommend zunächst in den Katalysator 3 zwecks Emissionsverbesserung. Nach dem Katalysator 3 strömt das Abgas 2 in das Abgasrohr 4 und gelangt zur Abgasklappe 5. Bei geöffneter Abgasklappe 5 (Stellung strichpunktiert gekennzeichnet) passiert das Abgas 2 im Bereich der Abgasklappe 5 die Abgaswärmetauscherrohrenden 6 und 7, die in das Abgasrohr 4 einmünden. Wird nun über das Abgasrückführungssystem Abgas 2 zur Zumischung zur Verbrennungsluft durch Saugdruck im Abgasrückführungsrohr 8 angefordert, strömt Abgas 2 aus dem Abgasrohr 4 und die Abgaswärmetauscherrohrenden 6, 7 durch die beiden Abgaswärmetauscherstränge a und b des Abgaswärmetauschers 1 unter Abkühlung zum Rohrbogen 9 und von dort weiter durch das Abgasrückführungsrohr 8 zur Mischeinrichtung. Dadurch werden die Emissionen reduziert und das Kühlsystem nur mit der für die Abgasrückführung notwendigen Temperaturerniedrigung belastet. Wird jedoch eine zusätzliche Heizleistung benötigt, so wird die Abgasklappe 5 geschlossen. Das Abgas 2 gelangt dann, wie zuvor beschrieben, bis in den Bereich der Abgasklappe 5. Bei geschlossener Abgasklappe 5 gelangt das Abgas 2 durch das Rohrende 7, welches vor der Abgasklappe 4 liegt, in den Strang a des Abgaswärmetauschers 1. Der abgekühlte Abgasstrom wird - je nach Anforderung durch das Verbrennungsluft-Mischsystem - aufgeteilt in einen Teilstrom für das Abgasrückführungsrohr 8 und den Strang b des Abgaswärmetauschers 1. Der Abgasteilstrom aus dem Strang b gelangt nach der weiteren Entwärmung hinter der Abgasklappe 5 über das Rohrende 6 wieder in das Abgasrohr 4 und weiter zum Abgasschalldämpfer und zum Auspuff. Die Kühlflüssigkeit, beispielsweise die Motorkühlflüssigkeit, für den Abgaswärmetauscher 1 tritt über dem Stutzen 10 (Strang a) in den Abgaswärmetauscher 1 ein und verläßt nach erster Wärmeaufnahme über die Leitung 11 den Strang a, um in den Strang b des Abgaswärmeaustauschers 1 einzutreten. Nach weiteren Wärmeaufnahmen gelangt die Kühl-/Heizflüssigkeit über den Stutzen 12 zum Kühler bzw. zum Heizungswärmetauscher des Fahrzeuges.

Gegenüber den bisher üblichen Schaltungen, bei denen das Abgas 2 für die Abgaszumischungen vor dem Katalysator 3 entnommen wird, erfolgt die Abgasauskopplung nach der Emissionsreduzierung hinter dem Katalysator 3. Die Emissionswerte werden damit insgesamt verbessert.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit äußerer Abgasrückführung und Heizvorrichtung, umfassend einen Katalysator, ein Abgasrohr, eine Abgasklappe, ein Abgasrückführungsrohr und einen Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) und das Abgasrückführungsrohr (8) hinter dem Katalysator (3) angeordnet sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) zwei Abgaswärmetauscherrohrenden (6, 7) umfaßt, wobei das einem ersten Teilstrang (a) zugeordnete Abgaswärmetauscherrohrende (7) vor der Abgasklappe (5) und das einem zweiten Teilstrang (b) zugeordnete Abgastauscherrohrende (6) hinter der Abgasklappe (5) in das Abgasrohr (4) einmündet, wobei das Abgasrückführungsrohr (8) mit den beiden Teilsträngen (a, b) verbunden ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) über Stutzen (10, 12) mit dem Motorkühlflüssigkeitskreislauf verbunden ist.