DE60024390T2 - Hochtemperaturkühlmittelkreislauf für Rückführvorrichtung von gekühltem Abgas für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Hochtemperaturkühlmittelkreislauf für Rückführvorrichtung von gekühltem Abgas für Brennkraftmaschinen Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Kühlung der rückgeführten Abgase eines Verbrennungsmotors.
  • Strenge Abgasemissionsvorschriften für Verbrennungsmotoren, speziell Dieselmotoren, führten zur Entwicklung neuer emissionsreduzierender Technologien. Eine solche Technologie ist das Rückführungsverfahren für gekühltes Abgas ("AGR-Verfahren"), das Emissionen mit nur einer geringen Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs reduziert. Der Wärmetauscher eines AGR-Systems muß hohen Anforderungen im Hinblick auf kompakte Gestaltung, Leistung und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion und Verschmutzung genügen können.
  • In einem bekannten AGR-System gemäß 1 hat ein Dieselmotor 1 mit Turbolader einen Abgaskühler (Wärmetauscher) 2, einen Kühler 3 und einen Ladeluftkühler 4. Außenluft wird in das Einlaßsystem durch den Kompressor 5 eines abgasbetriebenen Turboladers mit einer Turbine 7 eingesaugt. Vom Dieselmotor 1 abgegebenes Abgas durchläuft ein Ventil 6, das die Abgasmenge steuert, die durch den Rest des Abgassystems, u. a. die Turbine 7, in die Umgebung strömt.
  • Das Ventil 6 steuert auch die Abgasmenge, die rückgeführt und mit der Ladeluft gemischt wird. Das Abgas, das in das AGR-System eintritt, strömt durch den Abgaskühler 2, wo es Wärme zum Motorkühlmittel überträgt, das im Kreislauf 9 des Motorkühlsystems mit Hilfe einer Pumpe 8 zirkuliert. Nachdem das Abgas im Abgaskühler 2 gekühlt wurde, wird ihm bei 6a gekühlte Einlaßluft beigemischt, bevor es in den Dieselmotor eintritt.
  • Das im Motorkühlkreislauf 9 zirkulierende Kühlmittel hat bereits Verbrennungswärme vom Motor 1 aufgenommen, wenn es am Abgaskühler 2 eintrifft. Im Abgaskühler 2 wird zusätzliche Wärme vom Abgas zum Kühlmittel übertragen. Danach strömt das heiße Kühlmittel über die Pumpe 8 zum Kühler 3, wo Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Da das Kühlmittel mehr Wärme vom Abgaskühler 2 führt als es ansonsten führen würde, würde es nur den Motor 1 kühlen, muß mehr Wärme im Kühler 3 abgegeben werden. Dies erfordert, die Stirnfläche des Kühlers 3 zu vergrößern. In derzeitigen Nutzfahrzeugen belegt aber der Kühler bereits die verfügbare Stirnfläche. Dadurch läßt sich die Stirnfläche nicht weiter vergrößern.
  • Ein weiteres Kühlsystem ist in der US-A-5607010 offenbart, in dem mindestens zwei Wärmetauscher in Reihe angeordnet sind, um die Abgase in einem AGR-System für einen Dieselmotor zu kühlen. Dadurch erfolgt die Kühlung der Abgase in Stufen mit zunehmend niedrigeren Betriebstemperaturbereichen. Die Reihenanordnung ermöglicht, jeden Wärmetauscher für seine eigene temperaturspezifische Kühlaufgabe optimal auszulegen, was Verunreinigungs- und/oder Korrosionsbildung in den Wärmetauschern verhindert. Gleichwohl beschreibt dieses Patent nicht den (die) Kühlkreislauf (-kreisläufe) für diese Wärmetauscher, d. h. ob oder wie sie miteinander oder mit dem Kühlsystem für den Motor oder der Lage bzw. Anordnung der Kühler in Beziehung stehen. Wie zuvor erwähnt, ist in heutigen Nutzfahrzeugen die gesamte Stirnfläche bereits durch einen einzelnen Kühler belegt, weshalb eine vergrößerte Kühlerstirnfläche unmöglich ist.
  • In der JP-A-11-200955 ist eine Abgasrückströmungsvorrichtung beschrieben, wobei die Kaltstartfähigkeit verbessert und die Erzeugung von HC und Weißrauch unter Last unterdrückt ist, indem Abgasrückströmung in den Motor zum Einsatz kommt. Diese bekannte Vorrichtung weist zwei Abgaskühler in Reihe auf, wobei ein primärer Kühler Teil des Motorkühlsystems ist und ein sekundärer Kühler stromabwärts vom primären Kühler liegt. Die US-A-5732688 beschreibt ein System zur Steuerung der Temperatur von rückgeführtem Abgas, das einem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
  • Daher besteht eine allgemeine Aufgabe der Erfindung darin, ein Kühlsystem für ein AGR-System bereitzustellen, das Schwierigkeiten der zuvor beschriebenen Art beseitigt oder minimiert. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand gemäß den Ansprüchen gelöst.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, ein effektiveres und rationelleres System zur Kühlung der Abgase in einem AGR-System bereitzustellen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, ein effektiveres und rationelleres Kühlsystem für einen Fahrzeugverbrennungsmotor mit einem AGR-System ohne Vergrößerung der Kühlerstirnfläche des Fahrzeugs bereitzustellen.
  • Diese und weitere Vorteile der Erfindung kommen durch Bereitstellung eines Abgaskühlsystems zur Kühlung von Abgas im Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors vor der Beimischung von Ladeluft für den Motor zustande.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Abgaskühlsystem Teil eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors, der ein Motorkühlsystem mit einem Motorkühlkreislauf, u. a. einem primären Kühler, und ein Abgasrückführsystem mit einem AGR-Ventil hat. Das System hat einen einzelnen Abgaskühler und einen AGR-Kühlkreislauf, der unabhängig vom Motorkühlkreislauf ist und einen sekundären Kühler benachbart zum primären Kühler sowie eine AGR-Kühlpumpe zum Zirkulieren von Kühlmittel durch den AGR-Kühlkreislauf vom Abgaskühler zum sekundären Kühler und zurück zum Abgaskühler aufweist. Der Motor kann in einem Kraftfahrzeug eingebaut sein.
  • Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingefügt sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden näheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zur Erläuterung der Grundsätze der Erfindung.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Kühlsystems für einen Dieselmotor mit Turbolader und eines Abgasrückführsystems für den Dieselmotor.
  • 2 ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems für ein Abgasrückführsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der Anwendung auf einen Dieselmotor mit Turbolader.
  • 3 ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems für ein Abgasrückführsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in der Anwendung auf einen Dieselmotor mit Turbolader.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes zweistufiges Kühlsystem für rückgeführtes Abgas in der Anwendung auf einen Fahrzeugdieselmotor 10 mit Turbolader und einem AGR-System 12. Normalerweise ist das AGR-System 12 auf der Hochdruckseite des Turboladers eingebaut. Dadurch wird das zu kühlende und rückzuführende Abgas dem Hauptabgasstrom 14 zwischen dem Motorauslaßkrümmer und der Turbine 16 des Turboladers entnommen, und ihm wird Frischluft 18 an einem Verbindungspunkt 19 stromabwärts vom Ladeluftkühler 20 beigemischt. Das AGR-System verfügt über ein AGR-Ventil 22, das die Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgases steuert, Abgasrohre 24, 30, 32, 34, einen sekundären Abgaskühler 36 und einen primären Abgaskühler 38. Die Abgaskühler 36, 38 sind Wärmetauscher, die Wärme vom Abgas zu flüssigen Kühlmitteln übertragen, was später beschrieben wird.
  • Ein erstes Abgasrohr 24 erstreckt sich vom Auslaßkrümmer des Dieselmotors zum AGR-Ventil 22. Das AGR-Ventil 22 steuert die Abgasmenge, die dem Abgassystem entnommen wird und in das AGR-System 12 eintritt. Vom AGR-Ventil 22 führt ein zweites Rohr 26 Abgas zur Turbine 16. Ein drittes Rohr 28 führt verbrauchtes Abgas von der Turbine in die Umgebung.
  • Das Rohr 30 erstreckt sich vom AGR-Ventil zum sekundären (Hochtemperatur-) Abgaskühler 36. Das Rohr 32 verbindet den Kühler 36 mit dem primären Abgaskühler 38. Dadurch strömt Abgas nacheinander durch den sekundären Kühler 36, den primären Kühler 38 und das Rohr 34.
  • Luft wird aus der Umgebung über den Einlaß 18 durch den Turboladerkompressor 54 angesaugt und zum Ladeluftkühler 20 an der Frontpartie des Fahrzeugs geführt, wo sie durch Luft gekühlt wird, die den Ladeluftkühler infolge von Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs und/oder der Wirkung eines Kühlventilators (nicht gezeigt) durchströmt. Sobald sie gekühlt ist, be wegt sich die Ladeluft durch die Einlaßleitung 40 und wird dann bei 19 den gekühlten Abgasen beigemischt, die aus den AGR-Kühlern 36, 38 strömen. Danach tritt diese Mischung über den Einlaßkrümmer in den Dieselmotor 10 ein.
  • Es gibt zwei Kühlkreisläufe im AGR-System 14 – den primären Kühlkreislauf 42 und den sekundären Hochtemperatur-Kühlkreislauf 44. Der primäre Kühlkreislauf 42 ist Teil des Motorkühlsystems und kühlt den primären Abgaskühler 38 des AGR-Systems 14. Der sekundäre Kühlkreislauf 44 kühlt den sekundären Abgaskühler 36 des AGR-Systems 14.
  • Im primären Kühlkreislauf 42 strömt das primäre (Motor-) Kühlmittel vom Kühler 46 an der Stirnseite des Fahrzeugs durch Kühlschläuche, um den Motor 10 zu kühlen. Vom Motor 10 strömt das Kühlmittel durch den primären Abgaskühler 38, um rückgeführtes Abgas im AGR-System 14 zu kühlen. Danach strömt das Kühlmittel zurück zum primären Kühler 46, wo es die absorbierte Wärme abgibt. Eine Pumpe 48, bei der es sich um die motorbetriebene Kühlpumpe oder eine Hilfspumpe handeln kann, dient zum Umlaufenlassen des primären Kühlmittels durch den primären Kühlkreislauf 42.
  • Im sekundären Kühlkreislauf 44 strömt ein Hochtemperatur-Kühlmittel durch den sekundären (Hochtemperatur-) Abgaskühler 36. Eine große Wärmemenge wird von den sehr heißen Abgasen im sekundären Hochtemperatur-Abgaskühler 36 zum Kühlmittel übertragen. Danach strömt das Hochtemperatur-Kühlmittel zu einem sekundären Hochtemperaturkühler 52 an der Stirnseite des Fahrzeugs, wo es die im sekundären Abgaskühler 36 aufgenommene Wärme abführt. Eine Pumpe 50 ist elektrisch betrieben und dient zum Zirkulieren des Hochtemperatur-Kühlmittels durch den sekundären Kühlkreislauf 44.
  • In Last- und Personenkraftwagen kann die Temperatur des den Motor verlassenden Abgases bis auf 700°C bzw. 450°C steigen. Normalerweise liegen die erforderlichen Abgasauslaßtemperaturen im Bereich von 150°C bis 200°C. Somit kann in Anwendungen in Last- und Personenkraftwagen die Wärmemenge, die aus dem rückgeführten Abgas abgeleitet werden muß, 45 kW bzw. 5 kW erreichen. Der sekundäre Hochtemperatur-Abgaskühler 36 absorbiert eine große Menge dieser Wärme aus den Abgasen aufgrund der hohen Anfangstemperatur der Abgase. Dies stellt geringere Anforderungen an den primären Kühlkreislauf, Wärme aus dem AGR-System abzugeben, und hält die Motorbetriebstemperaturen in Auslegungsgrenzen.
  • Der sekundäre Hochtemperaturkühler 52 und der primäre Kühler 46 erfordern eine kleinere Stirnfläche, um die gleiche Wärmemenge wie der normale Kühler eines herkömmlichen AGR-Systems (z. B. der Kühler 3 gemäß 1) mit nur einem AGR-Kühler abzugeben. Dies ist Folge der größeren Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperatur-Kühlmittel und der Umgebungskühlluft. Dadurch wird eine wirksamere AGR-Kühlung ohne Vergrößerung der Stirnfläche des Kühlers erreicht. Für eine bestimmte Kühlwirkung auf die Abgase haben der primäre Kühler 46 und der sekundäre Hochtemperaturkühler 52 eine kombinierte Stirnfläche, die tatsächlich kleiner als die Stirnfläche des einzelnen Kühlers 3 des einstufigen AGR-Kühlsystems von 1 ist. Veranschaulicht wird dies durch das folgende Beispiel.
  • In einem zweistufigen Abgaskühler der Erfindung gemäß 2 beträgt die Kühlmittel-Eintrittstemperatur am primären Kühler 38 90°C, während die Kühlmittel-Eintrittstemperatur am sekundären Kühler 36 120°C beträgt. Die durch die Kühlmittel aufgenommene Wärme erhöht ihre Temperaturen um etwa 10°C: Das den primären Kühler 38 verlassende Kühlmittel hat 100°C, während das den sekundären Kühler 36 verlassende Kühlmittel 130°C hat. Somit arbeitet der Kühler 52 in einem höheren Kühlmittel-Temperaturbereich als der parallele Kühler 46. Für eine bestimmte Stirnfläche kann daher der Kühler 52 eine größere Wärmemenge an die die Kühler durchströmende Kühlluft abgeben (die normalerweise eine Temperatur von 44°C hat). Umgekehrt kann für eine bestimmte Kühlwirkung der Kühler 52 kleiner als der Kühler 46 sein. Natürlich würde der sekundäre Hochtemperatur-Kühlkreislauf 44 mit einem höheren Druck als der primäre Kühlkreislauf 44 arbeiten, um Sieden des Kühlmittels zu verhindern.
  • In einem herkömmlichen einstufigen AGR-Kühlsystem, z. B. dem in 1 gezeigten, fungiert allein der Kühler 3 zum Entfernen von Motor- und Abgaswärme aus dem einzelnen Kühlkreislauf und hätte z. B. eine Höhe von 1200 mm. Für die gleichen Randbedingungen des Betriebs und die gleiche Kühlerbreite erfordert ein vergleichbares erfindungsgemäßes zweistufiges Kühlsystem (2), in dem 50% der Abgaswärme im sekundären Hochtemperatur-Kühlkreislauf 44 abgeführt wird und 50% der Motorwärme im primären Kühlkreislauf 42 entfernt wird, eine kombinierte Kühlerhöhe (Kühler 46 und 52) von nur 1174 mm – was 26 mm Platz einspart.
  • 3 zeigt ein nicht von der Erfindung erfaßtes Abgaskühlsystem mit einem einstufigen AGR-Kühlsystem, das vom Motorkühlsystem unabhängig ist. Darstellungsgemäß ist das AGR-Kühlsystem dieser Ausführungsform wie in 2 auf einen Fahrzeugdieselmotor 100 mit Turbolader angewendet, das ein AGR-System 112 hat. Verglichen mit 2 sind gleiche Teile in 3 mit Bezugszahlen der 100er Reihe bezeichnet.
  • In diesem AGR-System wird ein Motor 100 durch einen Motorkühlkreislauf 142 gekühlt, der eine Kühlpumpe 148 und einen primären Kühler 146 an der Stirnpartie des Fahrzeugs aufweist. Luft wird durch einen Kompressor 154 zugeführt und in einem Ladeluftkühler 120 gekühlt, bevor sie den Motor erreicht. Der Kompressor 154 wird durch die Turbine 116 des Turboladers angetrieben. Das Abgasrückführsystem 112 verfügt über ein AGR-Ventil 122, ein Rohr 130, einen Abgaskühler 136 und ein Rohr 134. Ein AGR-Hochtemperatur-Kühlkreislauf 144 weist eine AGR-Kühlpumpe 150 auf, die Kühlmittel vom Abgaskühler 136 zu einem sekundären Kühler 152 und zurück zum Kühler 136 zirkuliert. Der AGR-Kühlkreislauf 144 ist vom Motorkühlkreislauf 142 unabhängig.
  • Der sekundäre Kühler 152 ist benachbart zum primären Kühler 146 angeordnet. Für bestimmte Kühlwirkungen auf die Abgase und das Motorkühlmittel haben der primäre Kühler 146 und der sekundäre Kühler 152 eine kombinierte Stirnfläche, die tatsächlich kleiner als die Stirnfläche des einzelnen Kühlers 3 des herkömmlichen einstufigen AGR-Kühlsystems von 1 ist. Dargestellt ist dies durch das folgende Beispiel.
  • Wie zuvor erwähnt, hätte der Kühler 3 des herkömmlichen einstufigen AGR-Kühlsystems von 1 eine Höhe von 1200 mm. Für die gleichen Randbedingungen des Betriebs und die gleiche Kühlerbreite erfordert ein vergleichbares einstufiges Kühl system gemäß der Ausführungsform von 3 eine kombinierte Kühlerhöhe (Kühler 146 und 152) von nur 1120 mm – was 80 mm Platz einspart. Dies liegt daran, daß der primäre Kühler 146 (3) nicht so groß wie der Kühler 3 des herkömmlichen Systems (1) zu sein braucht, da der Kühler 146 keiner zusätzlichen Wärmebelastung von einem Abgaskühler ausgesetzt ist. Da außerdem der sekundäre Kühler 152 mit höheren Temperaturen als der primäre Kühler 146 arbeitet, braucht der Kühler 152 nicht so groß wie der Kühler 146 zu sein, um eine bestimmte Kühlwirkung zu erreichen.
  • Die kombinierte Stirnfläche der Kühler 146 und 152 (3) ist noch kleiner als die kombinierte Stirnfläche der Kühler 46 und 52 in der Ausführungsform von 2. Für die gleichen Randbedingungen des Betriebs und die gleiche Kühlerbreite erfordert z. B. ein vergleichbares einstufiges Kühlsystem gemäß der Ausführungsform von 3 eine kombinierte Kühlerhöhe, die 54 mm niedriger als die kombinierte Kühlerhöhe der Ausführungsform von 2 ist (1174 mm–1120 mm). Dies liegt daran, daß der primäre Kühler 146 (3) kleiner als der primäre Kühler 46 (2) sein kann, da der Kühler 146 keiner zusätzlichen Wärmebelastung von einem Abgaskühler ausgesetzt ist. Da zudem der sekundäre Kühler 152 (3) die gesamte Wärmelast des AGR-Kühlsystems ableiten muß, die vom einzigen Abgaskühler 136 abgegeben wird, arbeitet der Kühler 152 mit höheren Temperaturen als der sekundäre Kühler 52 (2), der nur einen Teil der AGR-Wärmelast ableitet (die vom sekundären Abgaskühler 36 abgegebene). Für eine bestimmte Stirnfläche kann daher der Kühler 152 eine größere Wärmemenge als der Kühler 52 abführen.
  • Das AGR-Kühlsystem der Erfindung ist auf jede Art von Verbrennungsmotor und auf stationäre sowie Fahrzeuganwendungen anwendbar. Dem Fachmann werden zusätzliche Vorteile und Abwandlungen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen deutlich sein. Daher ist die Erfindung in ihren allgemeineren Aspekten nicht auf die spezifischen Einzelheiten und repräsentativen Vorrichtungen begrenzt, die hier dargestellt und beschrieben sind. Somit können verschiedene Abwandlungen vorge nommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.

Claims (6)

  1. Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführsystem, das ein AGR-Ventil zum Steuern der Abgasströmung aufweist, die aus dem Motorabgasstrom abgeleitet und zum Motoreinlaß zurückgeführt wird, wobei ein primärer Kühlkreislauf Teil des Motorkühlsystems mit einem primären Abgaskühler, der stromabwärts vom AGR-Ventil in Richtung der rückgeführten Abgasströmung angeordnet ist, einem primären Kühler und einer primären Pumpe zum Umwälzen von Kühlmittel durch den primären Kühlkreislauf ist, wobei ein sekundärer Kühlkreislauf aufweist: einen sekundären Abgaskühler, der stromaufwärts vom primären Abgaskühler in Richtung der rückgeführten Abgasströmung angeordnet ist; einen sekundären Kühler mit einer kleineren Stirnfläche als der primäre Kühler; und eine sekundäre Pumpe zum Umwälzen von Kühlmittel durch den sekundären Kühlkreislauf vom sekundären Abgaskühler zum sekundären Kühler und zurück zum sekundären Abgaskühler.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Motor flüssigkeitsgekühlt ist.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei der primäre Kühler der Kühler des Motorkühlsystems ist.
  4. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3.
  5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Motor ein Dieselmotor ist.
  6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, wobei der primäre Kühler und der sekundäre Kühler zusammen die gesamte Stirnfläche des Fahrzeugs belegen, die zur Kühlerkühlung verfügbar ist.
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