DE60131161T2

DE60131161T2 - Verfahren und vorrichtung zur abgasrückgewinnung und eine aufgeladene dieselkraftmaschine

Info

Publication number: DE60131161T2
Application number: DE60131161T
Authority: DE
Inventors: Ove Sponton
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: SE521968C2; SE0001896L; AU2001260898A1; EP1290327B1; US7040305B2; DE60131161D1; US20040007220A1; EP1290327A1; JP2003534487A; WO2001090559A1; SE0001896D0

Description

Fachgebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6. Weiterhin betrifft sie einen aufgeladenen Dieselmotor mit einer solchen Vorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Bei turboaufgeladenen Dieselmotoren ist es bereits bekannt Abgase zum Motoreinlass zurückzuführen, um die Anteile von Stickoxiden im Abgas zu reduzieren. Hierbei bewirken die zurückgeführten Abgase, dass die Verbrennungstemperatur gesenkt wird, wodurch eine kleinere Menge des Stickstoffs in der Einlassluft in Stickoxide umgewandelt werden kann. Dieser Prozess, genannt EGR (exhaust gas recirculation), wurde häufig in Ottomotoren als relativ einfacher Weg genutzt, um den Gehalt an gesundheitsgefährdenden Abgasemissionen zu reduzieren. Andererseits kam diese Technik bei Dieselmotoren nicht in so großem Umfang zum Einsatz unter anderem wegen der Tatsache, dass mit diesen Motoren besondere Probleme verbunden sind, die die Lösungen für Ottomotoren nicht direkt auf die Dieselmotoren übertragbar machen.
Eines dieser besonderen Probleme besteht darin, dass die Verbrennung bei Dieselmotoren normalerweise mit Luftüberschuss abläuft. Indirekt resultiert daraus die Notwendigkeit, dass relativ große Mengen von Abgasen während des relativ großen Betriebsbereichs des Motors übertragen werden müssen, um die gewünschte Funktion zu erreichen. Dieses Problem tritt verstärkt bei aufgeladenen Motoren auf, weil in diesem Fall der Druck innerhalb des Einlasssystems des Motors während eines Großteils des Betriebsbereichs höher ist als der Druck im Abgassystem.
Es ist bereits bekannt, eine separate Aufladungsvorrichtung einzusetzen, um den gewünschten Anstieg des Abgasdrucks zu erreichen, beispielsweise aus WO 96/18030 und WO 96/18031 . Ein Nachteil dieser Lösungen ist die Notwendigkeit für eine zusätzliche Aufladungsvorrichtung oder eine andere druckerhöhende Vorrichtung, wodurch diese Lösungen teuer und aufwendig werden.
Auch US 5,611,203 und US 5,611,204 können als bereits bekannter Stand der Technik in Bezug auf diese Erfindung genannt werden. Diese Dokumente beschreiben, wie Abgase durch ein Venturirohr oder einen anderen Ejektor im Einlasskanal zum Einlass des turboaufgeladenen Dieselmotors zurückgeführt werden. Das System gemäß diesen Dokumenten nutzt den niedrigen statischen Druck, der in einem bestimmten Abschnitt des Ejektors vorherrscht, um einen EGR-Fluss in die Ladeluft einzupumpen.
Ein Hauptproblem der Vorrichtungen gemäß diesen Dokumenten besteht darin, dass Verluste durch den Strömungswiderstand im Einlasskanal aufgrund der Anordnung der Vorrichtungen auftreten. Beispielsweise führt der Gebrauch einer Ventilklappe in einem Überbrückungskanal zu einem Druckabfall, der in einer Energieverschwendung des Motors resultiert.
Als Stand der Technik in Bezug auf eine Venturirohr-Anordnung kann US-A-4,094,285 angeführt werden. Diese Anordnung beinhaltet einen Vergaser mit einem beweglichen Flügel, der zusammen mit einer festen Wand ein Venturirohr zum Mischen des Kraftstoffs mit der Luft nach der herkömmlichen Art für Vergaser bildet. Der Hauptkörper des Vergasers ist mit einem Auslass von einem Abgasdurchgang ausgestattet, der zwischen dem Venturirohr und der Drosselklappe positioniert ist. Durch die hohe Geschwindigkeit des Gasgemisches aus dem Venturirohr entstehen Verwirbelungen, die ein effizientes Vermischen mit den Abgasen ermöglichen. Jedoch wird diese Anordnung den Transport von Abgasen vom Abgasauslass zum Einlass nicht erleichtern, falls der Druck im Einlasssystem höher ist als der im Auslasssystem.
Ziel der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung oder zumindest eine Verminderung der Probleme des Stands der Technik bereitzustellen. Ein Hauptziel der Erfindung besteht somit darin, einen einfacheren und effektiveren Transfer der EGR-Gase in einem Verbrennungsmotor zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird dies über ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Merkmalen der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 6 erreicht.
Durch die Erfindung können die Strömungswiderstandsverluste minimiert werden, da Ventilklappen und ähnliche Regelungsvorrichtungen überflüssig werden. Weiter kann die gesamte Einlassluft durch ein geregeltes Einpumpen des EGR-Gases in das Venturirohr genutzt werden, da kein Überbrückungskanal (Bypass-Kanal) mehr angeordnet werden muss. Dies hat große Vorteile, da der Druckabfall entlang des Venturirohrs auf einem Minimum gehalten werden kann. Alles in allem wird als Ergebnis die Motorleistung gesteigert.
Durch die Möglichkeit, den Strömungsantrieb durch Einstellen mindestens eines Wandteils zu regeln, können sowohl die Menge als auch die Zeit für die Rückführung optimiert werden. Diese Einstellung ist einfach zu erreichen und führt zu einer effektiven Veränderung, wodurch die EGR-Rückführung einfach für den aktuellen Betrieb optimiert werden kann. Die Einstellung wird vorzugsweise durch eine im üblichen Motorsteuercomputer programmierte passende Programmsequenz gesteuert. Diese Sequenz nutzt vorzugsweise Daten, die von den üblichen Parametersensoren des Motors geliefert werden.
Eine relativ einfach zu steuernde Bewegungsform wird dadurch erreicht, dass die Einstellung durch eine Schwenkbewegung erlangt wird.
Der Kanal, der das EGR-Gas in das Venturirohr zuführt, kann an einer festen oder beweglichen Wand positioniert werden, in Abhängigkeit davon, was in einer jeweiligen Anlage geeignet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Venturirohrwand eine seitwärtige Ausnehmung hat, in die der einstellbare Wandteil variabel einsetzbar ist. Dadurch wird eine einfache Konstruktion erreicht, durch die bei ganzem Einsetzen des einstellbaren Wandteils in die Ausnehmung das Venturirohr prinzipiell außer Funktion gesetzt werden kann, mit dem Ergebnis eines minimalen Druckabfalls.
Es ist weiter bevorzugt, dass ein stromaufwärtiger Abschnitt des einstellbaren Wandteils so geformt ist, dass mit der an die Ausnehmung angrenzenden Wand in eingesetzten Positionen des einsetzbaren Wandteils dieser einen Raum bildet, in dem ein natürlicher Wirbel gebildet werden kann und im Betrieb bestehen bleibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Wandteile einen Raum mit einem im Wesentlichen gleichseitigen, dreieckförmigen Profil bilden, d. h. die Oberflächen bilden einen Winkel von ca. 60°.
Als Alternative kann eine verformbare Membran vorgesehen sein, die in einer überbrückenden Weise den stromaufwärtigen Abschnitt des einstellbaren Wandteils mit der an die Ausnehmung angrenzenden Wand verbindet. Hiermit wird eine im Wesentlichen ebene Wandanordnung auch für den Fall erreicht, dass sich der einstellbare Wandteil in einer eingesetzten Position befindet.
Durch die Ausrichtung der Öffnung des EGR-Kanals in dem Venturirohr im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Einlassluft wird erreicht, dass die Druckimpluse in dem EGR-Kanal den Pumpeneffekt nicht reduzieren.
Es ist bevorzugt, dass der Querschnitt des Venturirohrs im Wesentlichen rechteckförmig mit einstellbarer Höhe ist. Durch diese Geometrie entsteht eine einfache Konstruktion und Einstellbarkeit.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsformen zur Veranschaulichung der Erfindung werden jetzt detaillierter mit Bezug auf die Figuren beschrieben, worin:
1 schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem turboaufgeladenen Viertakt-Dieselmotor zeigt.
2 detailliert eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
3 eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 1 vom Typ eines Hubkolbenmotors mit Zylindern, die in einem geraden Reihenzylinderblock angeordnet sind. Der Motor ist ein Viertakt-Dieselmotor, der für schwere Kraftfahrzeuge wie einen Lastkraftwa gen oder einen Bus geeignet ist. Jeder Zylinder ist in seinem entsprechenden Zylinderkopf in üblicher Weise mit mindestens einem Einlassventil zum Zuführen von Verbrennungsluft und mit wenigstens einem Auslassventil zum Ablassen von Abgasen der Verbrennung ausgestattet. Ein Einlasskanal 2 leitet die Einlassluft zu den Zylindern, wohingegen ein Abgaskollektor 3 die Abgase von den Zylindern zu der Turbine T und anschließend zum Abgasrohr leitet.
Weiter ist ein Transferkanal 4 für die Rückführung der EGR-Gase von der Auslassseite der Zylinder zu ihrer Einlassseite angeordnet. Der Transferkanal 4 tritt hinter einem Ladeluftkühler 5 und vor einem Verteiler zu den Zylindern in den Einlasskanal 2 aus. Ein EGR-Regelventil 6 ist im Transferkanal positioniert, wodurch der Transfer unterbrochen und möglicherweise bis zu einem gewissen Grad geregelt werden kann.
Der Transferkanal 4 tritt in einem bestimmten Abschnitt des Einlasskanals aus, in dem ein Venturirohr 9 derart angeordnet ist, dass die Strömung der Einlassgase, die durch einen Kompressor C verdichtet wurden, so verändert wird, dass ein Unterdruck in dem Durchgang des Venturirohrs erzeugt wird. Dies ergibt sich dadurch, dass sich die Geschwindigkeit der Luft in dem Durchgang mit einem konvex gekrümmten Abschnitt erhöht. Gemäß der Erfindung werden die EGR-Gase in den genannten Abschnitt in einem Teil geleitet, der in Verbindung mit dem Venturirohr steht, in dem somit ein Unterdruck vorherrscht. Durch Gestalten des Venturirohrs 9, insbesondere in Bezug auf die Krümmung und die Länge in der Strömungsrichtung, muss sichergestellt werden, dass ein ausreichender Unterdruck erreicht wird, damit eine entsprechende Menge an EGR-Gasen transportiert werden kann. S zeigt einen Steuercomputer zum Steuern/Regeln des Venturirohrs in Antwort auf die Parametersignale des Motors.
2 zeigt detaillierter das Venturirohr 9, wobei ein einstellbares Wandteil 10 in einer Position 10' gezeigt ist, in der es soweit wie möglich in den Kanal 2 eingebracht ist, und eine Position 10'', in der es so weit wie möglich aus dem Kanal 2 bezüglich der Ausnehmung 12 herausgebracht ist. Der EGR-Transfer-Kanal 4 tritt gerade etwa gegenüber des Teils des Venturirohrs 9 aus, an dem der höchste Unterdruck herrscht. Es ist bevorzugt, dass der Kanal 4 an einer festen Wand 20 innerhalb des Venturirohrs angeordnet ist, er kann aber auch (in nicht gezeigter Weise) in der oberen Fläche des einstellbaren Wandteils 10 austreten. Es ist weiter bevorzugt, dass die Öffnung des Kanals 4 in dem Venturirohr in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, um die Transferbedingungen zu verbessern.
11 zeigt eine drehbare Achse, mit der das Wandteil eingestellt werden kann, um die Menge des zugeführten EGR-Gases zu regeln. Die am weitesten in den Kanal eingebrachte Position 10' führt im Prinzip zu einem höheren Unterdruck und einer größeren Menge an zugeführten EGR-Gase, wohingegen die am weitesten in die Ausnehmung eingesetzte Position 10'' in einer kleineren oder möglicherweise gar keiner zugeführten Menge des EGR-Gases resultiert.
Der Schnitt entlang A-A des gezeigten Venturirohrs ist rechtwinklig, das heißt, dass die Oberfläche des Wandteils 10, die gegen den Kanal gerichtet ist, einfach gekrümmt ist. Ausgehend von den Motordaten und den gewünschten EGR-Mischverhältnissen muss die Form dieser Oberfläche und ihre Längen- und Höhenausdehnung geprüft und bemessen werden.
Die Ausnehmung 12 dient somit dazu, das Wandteil 10 in verschiedenen eingeschwenkten Positionen aufnehmen zu können. Vorzugsweise bildet der stromaufwärtige Teil 14 des Wandteils und die an die Ausnehmung angrenzende Oberfläche 13 in verschiedenen eingeschwenkten Positionen einen Raum, in dem ein natürlicher Wirbel V entstehen kann und ein Betrieb bestehen bleibt. Dadurch entsteht ein störungsfreier Betriebszustand ohne ungewollte Druckschwankungen, die andernfalls auftreten würden, wenn sich instabile Wirbel an dieser Stelle bilden würden.
Eine Steuerung der Menge der zurückgeführten Abgase erfolgt durch das Steuersystem S (1), das in bekannter Art mit Sensoren für die Erfassung entsprechender Motorparameter kommuniziert. Der Kühler 7 ist angeordnet, um die zurückgeführten EGR-Gase zu kühlen. 2 (und 3) zeigen auch eine Einstellungsvorrichtung 17, die durch das Steuersystem S (1) gesteuert wird und mit einem elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Motor ausgestattet sein kann.
3 zeigt eine Ausführungsform, wobei eine deformierbare Membran 15 angebracht ist, die eine an das Wandteil 10 und die feste Wand 16 angrenzende Krümmung erzeugt. Die Membran kann beispielsweise aus Federstahl sein.
Die Form des Venturirohrs 9 kann demnach abhängig von der vorliegenden Erfindung variieren. Dies betrifft auch die Form des Kanals, wobei aber bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der der Kanal einen rechteckförmigen Abschnitt aufweist, können ähnliche vorteilhafte Strömungsbedingungen über die gesamte Breite des Wandteils 10 geschaffen werden. Das Bewegungsmuster des Wandteils 10 kann unterschiedlich sein, wenn die Einsetzung in den Kanal 2 auf andere Weise durchgeführt wird, beispielsweise mittels einer Verschiebung. Außer der Membran 15 können auch längere Wandteile deformierbar sein.
Es liegt im Bereich der Erfindung, dass nur einige der Zylinder eines Motors zur EGR-Rückführung beitragen, beispielsweise einer Blöcke bei einem V-Motor.
Die Erfindung wurde vor dem Hintergrund eines turboaufgeladenen Viertakt-Verbrennungsmotors beschrieben. Sie ist allerdings auf andere Arten von Verbrennungsmotoren übertragbar, bei denen ähnliche Probleme oder Bedingungen vorherrschen.

Claims

Verfahren für das Rückführen von Abgasen (EGR) in einem Verbrennungsmotor (1), wobei die EGR-Gase in den Einlasskanal (2) des Motors geführt werden, um zu dem Motor zusammen mit der Einlassluft geführt zu werden, und wobei die EGR-Gase in einen Abschnitt des Einlasskanals eingeführt werden, in dem ein Venturirohr (9) angeordnet ist, um die Strömung der Einlassluft zu modifizieren und in dem aufgrund der modifizierten Strömung ein reduzierter Druck herrscht, wobei die EGR-Gase dort in das Venturirohr eingeführt werden, wo ein Unterdruck zum Zuführen der EGR-Gase herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wand (10) des Venturirohrs (9) zum Variieren des Querschnitts und dadurch zur gewünschten Einstellung auf herrschende Betriebsbedingungen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung durch Verschwenken des verschwenkbaren Wandteils (10) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Gase durch einen Kanal (4) eingeführt werden, der in einer festen Wand (20) des Venturirohrs (9) austritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Gase durch einen Kanal (4) eingeführt werden, der in dem einstellbaren Wandteil (10) austritt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Gase in im Wesentlichen derselben Strömungsrichtung (R) der Einlassgase in dem Venturirohr (9) geführt werden.
Vorrichtung zum Rückführen von Abgasen (EGR) in einem Verbrennungsmotor (1), umfassend Mittel zum Zuführen von EGR-Gasen in den Einlasskanal des Motors, die zusammen mit der Einlassluft dem Motor zuzuführen sind, Mittel zum Einführen von EGR-Gasen in einen Abschnitt des Einlasskanals, in dem ein in der Vorrichtung vorgesehenes Venturirohr (9) angeordnet ist, um die Strömung der Einlassluft zu modifizieren, wobei aufgrund der modifizierten Strömung ein reduzierter Druck herrscht und wobei die EGR-Gase in das Venturirohr dort eingeführt werden, wo im Betrieb ein Unterdruck herrscht, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens ein Teil der Wand (10) des Venturirohrs (9) für eine Variation des Querschnitts des Venturirohrs (9) und dadurch für eine gewünschte Einstellung an herrschende Betriebsbedingungen einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des einstellbaren Wandteils (10) schwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen Kanal (4), der in einer festen Wand (10) des Venturirohrs (9) zum Einführen der EGR-Gase austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen Kanal (4), der in dem einstellbaren Wandteil (10) des Venturirohrs zum Einführen von EGR-Gasen austritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausnehmung (12), die seitlich des Venturirohrs (9) angeordnet ist, wobei in dieser das einstellbare Wandteil (10) variabel einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromaufwärtiger Abschnitt (14) des einstellbaren Wandteils (10) derart geformt ist, dass er zusammen mit einer angrenzenden Wand (13) der Ausnehmung (12) einen Raum bildet, wobei im Betrieb ein natürlicher Wirbel (V) von Einlassluft erzeugt und in eingesetzten Stellungen des einsetzbaren Wandteils (10) verbleiben kann.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine deformierbare Membran (15), die dazu angeordnet ist, einen stromaufwärtigen Abschnitt (14) des einstellbaren Wandteils (10) mit der angrenzenden Wand (13) der Ausnehmung (12) in einer überbrückenden Weise zu verbinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung des Kanals (4) in dem Venturirohr (9) im Wesentlichen in der Strömungsrichtung der Einlassluft ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Einstellmittel (17) aufweist, das einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Motor umfasst, um das einstellbare Wandteil zu verstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Venturirohrs (9) im Wesentlichen rechteckig mit einstellbarer Höhe ist.
Aufgeladener Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15 aufweist.