DE4319380A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents
Brennkraftmaschine mit einem AbgasturboladerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ab
gasturbolader, mit einer Ladeluftleitung sowie mit einer Rück
führleitung für einen Teilstrom des Abgases.
Im Zuge immer stärkerer Emissionsbeschränkungen für Brenn
kraftmaschinen ist es erforderlich, die NOx-Emissionen stark
abzusenken. Dies ist in bekannter Weise dadurch möglich, daß
ein Teilstrom des Abgases aus dem Auspuffkrümmer in das An
saugsystem rückgeführt wird, wodurch die Temperaturen im
Brennraum abgesenkt werden und die Bildung von NOx stark ver
ringert wird.
Bei einigen vorgeschriebenen Testzyklen ist es erforderlich,
die NOx-Emissionen, insbesonders bei hohen Lasten, abzusenken,
da beispielsweise im europäischen 13-Mode Zyklus für LKW-Moto
ren, ein für die Zyklusemissionen sehr wichtiger Betriebspunkt
nahe dem Drehmomentmaximum des Motors liegt. Bei aufgeladenen
Brennkraftmaschinen ist jedoch eine Abgasrückführung in diesem
Kennfeldbereich nicht ohne weiteres möglich, da durch die Tur
boladercharakteristik bedingt, in diesen Betriebspunkten die
mittleren Drücke im Einlaßsammler deutlich über jenen im Aus
puffkrümmer liegen.
Prinzipiell besteht nun die Möglichkeit, den Druck im Auspuff
krümmer mittels einer Stauklappe zu erhöhen, um so eine Abgas
rückführung zu erreichen. Durch den Abgasgegendruck wird je
doch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und damit der
Kraftstoffverbrauch wesentlich verschlechtert.
Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin,
durch den Einsatz eines Rückschlagventils in der Abgasrück
führleitung auch dann noch eine Abgasrückführung zu erreichen,
wenn der mittlere Druck im Auspuffkrümmer bereits unter dem
Druck im Saugsystem liegt. Dabei können jedoch Probleme mit
dem thermisch hoch beaufschlagten Rückschlagventil auftreten,
bzw. kann wegen zu großen Druckunterschieden zwischen Saugsy
stem und Auspuffkrümmer trotzdem keine ausreichende Abgasrück
führung erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der ein
gangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Abgasrück
führung trotz ungünstiger Druckdifferenz zwischen Auspuff- und
Saugsystem möglich ist, wobei auch thermische Probleme im Be
reich der Abgasrückführung behoben werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Düse-Diffusoreinheit in der Ladeluftleitung vorgesehen ist,
sowie daß die Rückführleitung im Bereich der Querschnittsver
engung in die Düse-Diffusoreinheit einmündet. Dabei wird die
im Turbolader verdichtete Ansaugluft in einer Düse beschleu
nigt. Dadurch fällt der statische Druck stark ab, bei geeigne
ter Auslegung unter den Druck im Auspuffsystem. An einer
Stelle mit entsprechend abgesenktem Druck wird nun das aus der
Abgasrückführleitung kommende Abgas möglichst verlustfrei zu
geführt. In einem anschließenden Diffusor werden die hohen
Strömungsgeschwindigkeiten wieder in Druck umgewandelt und da
durch die Verluste des Systems kleingehalten.
Um die Strömungswiderstände dieses Systems in jenen Kennfeldbe
reichen, in denen keine Abgasrückführung erforderlich ist, ge
ring zu halten, kann erfindungsgemäß parallel zur Düse-Diffu
soreinheit eine Bypass-Leitung mit einem Steuerventil vorgese
hen sein. Da gemäß dem Venturi-Prinzip die Druckabsenkung
nicht nur von der geometrischen Form der Düse und des Diffu
sors abhängig ist, sondern auch vom Massendurchsatz durch das
System, kann durch das Steuerventil in der Bypass-Leitung auch
eine Regelung der Abgasrückführmenge erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist in Strömungsrichtung
vor der Düse-Diffusoreinheit ein Ladeluftkühler vorgesehen.
Diese Düse-Diffusoreinheit kann erfindungsgemäß auch mit einem
Rückschlagventil und/oder mit einem Abgaskühler in der Rück
führleitung kombiniert werden.
Erfindungsgemäße Ausführungsvarianten der Düse-Diffusoreinheit
werden im Rahmen der nachfolgenden Figurenbeschreibung darge
legt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie
len näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit
einer Düse-Diffusoreinheit und die
Fig. 2 bis 6 Ausführungsvarianten der Düse-Diffusor
einheit.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem
Einlaßsammler 2 und einem Auslaßsammler 3 dargestellt. Ein Ab
gasturbolader 4 weist einen Verdichter 5 und eine Abgastur
bine 6 auf, welche über eine Welle 7 miteinander verbunden
sind. Die vom Verdichter 5 komprimierte Ansaugluft gelangt
über eine Ladeluftleitung 8 in den Ladeluftkühler 9 und weiter
über eine Ladeluftleitung 10 in den Einlaßsammler 2. Das Abgas
wird aus dem Auslaßsammler 3 über eine Leitung 11 zur Ab
gasturbine 6 geleitet. In dieser Leitung 11 ist eine Anschluß
stelle 13 vorgesehen, in der die Rückführleitung 14 abzweigt.
In dieser Rückführleitung 14 kann ein Abgasrückführsteuerven
til 17, ein Kühler 18 und daran anschließend auch ein Rück
schlagventil vorgesehen sein. In einer einfachen Ausführungs
variante können die mit Bezugszeichen 16 bis 18 bezeichneten
Bauteile jedoch auch entfallen.
Die Rückführleitung 14 mündet im Bereich einer Querschnitts
verengung 19 in eine Düse-Diffusoreinheit 20, welche in der
Ladeluftleitung 10 zwischen Ladeluftkühler 9 und Einlaßsammler
2 angeordnet ist. Zur Steuerung des Massendurchsatzes
durch die Düse-Diffusoreinheit 20 ist parallel dazu eine von
der Ladeluftleitung 10 abzweigende, in den Einlaßsammler 2
mündende Bypass-Leitung 21 vorgesehen, welche ein Steuerven
til 22 aufnimmt.
Die Düse-Diffusoreinheit 20 besteht im wesentlichen aus einer
konischen Düse 23 und einem konischen Diffusor 24, wobei deren
Abmessungen und deren Gestaltung eine besondere Bedeutung,
insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Strömungsablösun
gen im Diffusor zukommt.
So kann in einer Variante gemäß Fig. 2 der Diffusor 24 unmit
telbar an die konische Düse 23 anschließen. Die Abgaszuführung
wird vorzugsweise nahe dem engsten Querschnitt in der Düse-
Diffusoreinheit 20 durchgeführt. Zur Stabilisierung der Strö
mung ist es allerdings auch möglich, das Abgas an einem aus
reichend kleinen Durchmesser stromaufwärts des engsten Quer
schnittes der Düse 23 zuzuführen (Fig. 3).
In einer anderen Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 kann zwi
schen Düse 23 und Diffusor 24 auch ein Rohrstück 25 mit kon
stantem Durchmesser angeordnet sein. Die Gestaltung der Abgas
zuführung hat nach strömungstechnischen Gesichtspunkten zu er
folgen. Dabei ist unbedingt eine Strömungsablösung im Diffusor
zu vermeiden. Günstig erscheint eine zentrische Zuführung der
Abgase gemäß Fig. 2, 3 oder 4.
Eine weitere in Fig. 5 dargestellte Ausführung ist durch eine
außenliegende, ringförmige Anformung 26 gekennzeichnet, über
welche die Zuführung der Abgase erfolgt.
Eine einfachere, wenn auch strömungstechnisch etwas ungünsti
gere Anordnung, ist eine seitliche Zuführung der Abgase gemäß
Fig. 6.
Claims (11)
1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einer
Ladeluftleitung sowie mit einer Rückführleitung für einen
Teilstrom des Abgases, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Düse-Diffusoreinheit (20) in der Ladeluftleitung (10) vor
gesehen ist, sowie daß die Rückführleitung (14) im Bereich
einer Querschnittsverengung (19) in die Düse-Diffusorein
heit (20) einmündet.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß parallel zur Düse-Diffusoreinheit (20) eine By
pass-Leitung (21) mit einem Steuerventil (22) vorgesehen
ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Ladeluftkühler (9) vorgesehen ist, wel
cher in Strömungsrichtung vor der Düse-Diffusorein
heit (20) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (14) ein
Abgaskühler (18) und/oder ein Rückschlagventil (16) ange
ordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Düse-Diffusoreinheit (20)
eine konische Düse (23) mit unmittelbar daran anschließen
dem konischen Diffusor (24) aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen einer konischen
Düse (23) und einem konischen Diffusor (24) der Düse-Dif
fusoreinheit (20) ein Rohrstück (25) mit konstantem Durch
messer angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rückführleitung (14) auf Höhe des eng
sten Querschnittes der Düse-Diffusoreinheit (20) in diese
einmündet.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rückführleitung (14) in Strömungsrich
tung knapp vor dem engsten Querschnitt der Düse-Diffu
soreinheit (20) einmündet.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei
tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) zentral er
folgt.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei
tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) seitlich er
folgt.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei
tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) über eine ring
förmige Anformung (26) erfolgt.
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