DE602004001578T2 - Turboaufgeladener Dieselmotor mit langwegigem Abgasrückführsystem - Google Patents

Turboaufgeladener Dieselmotor mit langwegigem Abgasrückführsystem Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf turboaufgeladene Dieselmotoren des Typs wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Der Katalysator und der Partikelfilter können zu einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein, das beide Funktionen erfüllt oder ansonsten aus zwei unterschiedlichen Bauteilen bestehen, wobei die Möglichkeit nicht ausgeschlossen sei, dass darin noch andere Komponenten vorliegen, wie zum Beispiel NOx-Auffangvorrichtungen.
  • Ein Motor dieses Typs ist in WO 03/102391 oder US 6,338,245 offenbart.
  • Herkömmliche Motoren des oben angegebenen Typs umfassen für gewöhnlich eine Reihe von Zylindern und einen oder mehr Abgasturbolader, evtl. mit integriertem elektrischem Kompressor. Bei besagten Motoren, die für gewöhnlich in Kraftfahrzeugen Verwendung finden, zweigt das Abgasrückführungsrohr (EGR-Rohr) vom Hauptauslassrohr stromaufwärts der Turbine ab und läuft stromabwärts des Kompressors wieder mit dem Hauptansaugrohr zusammen. Besagtes bekanntes System wird schematisch in 1 der im Anhang beigefügten Zeichnungspalette dargestellt. In besagter Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 insgesamt den Diesel-Motorblock mit vier Zylindern 2, von denen jeder mit zwei Ansaugrohren 3, 4 versehen ist, die durch jeweilige Einlassventile (nicht dargestellt) gesteuert werden und Teil eines Ansaugleitungssystems 5 sind, welches Luft durch ein Hauptansaugrohr 6 erhält. Im Hauptansaugrohr 6 sind der Reihe nach angeordnet: ein Luftfilter 7, ein Staurohr 8, ein Kompressor 9, eine Kühlvorrichtung bzw. Zwischenkühler 10 und ein Reglerventil 11. Jedem Zylinder 2 des Motors 1 ist darüber hinaus ein Auslassrohr 12 zugeordnet, das durch ein jeweiliges Auslassventil (nicht dargestellt) gesteuert wird, das Teil einer Abgassammelleitung 13 ist, welche mit dem Hauptauslassrohr 14 verbunden ist. Im Hauptauslassrohr 14 sind der Reihe nach angeordnet: eine Turbine 15, die einen Kompressor 9 über eine Getriebewelle 16 antreibt, und eine Vorrichtung 17 zur Abgasaufbereitung, die einen Katalysator 17a und einen Partikelfilter 17b umfasst, die dicht beieinander angeordnet sind. Im Falle der bekannten Anordnung, die in 2 nochmals dargestellt ist, ist ferner ein Abgasrückführungsrohr 18 vorgesehen, das vom Auslassrohr 14 stromaufwärts der Turbine 15 abzweigt und mit dem Hauptansaugrohr 6 stromabwärts des Kompressors 9 und des Zwischenkühlers 10 zusammenläuft. An einer diesem Zulauf entsprechenden Stelle ist ein Ventil 19 zur Regulierung der Gasströmung durch das Rückführungsrohr 18 bereitgestellt. Des Weiteren besitzt das Abgasrückführungsrohr im dargestellten Beispiel einen Zwischenteil, der sich in zwei Rohre 18a und 18b parallel zueinander verzweigt, wobei das Rohr 18b durch einen Zwischenkühler 20 läuft. An dem Punkt, wo sich das Abgasrückführungsrohr in zwei parallele Rohre 18a, 18b verzweigt, ist ein Ventil 21 bereitgestellt, das die Gasströmung durch jedes der beiden parallelen Rohre 18a, 18b reguliert, um ein Variieren des Kühlungsgrades der Abgase zu ermöglichen.
  • Das auf die oben beschriebene Art hergestellte Abgasrückführsystem weist einige Nachteile auf. Zunächst einmal verursachen die rückgeführten Gase Verschmutzungserscheinungen an den Ventilen, den Motorleitungen und dem Zwischenkühler des Abgasrückführsystems. Außerdem ist die Bindung zwischen dem rückgeführten Gas und der angesaugten Luft nicht immer optimal, so dass es zu einer Ungleichförmigkeit der Verbrennung in den verschiedenen Zylindern des Motors kommt. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass die rückgeführten Abgase immer noch eine hohe Temperatur haben, was eine hohe Temperatur des Gas-Luft-Gemischs bei der Aufnahme durch den Motor zur Folge hat, was wiederum die Entstehung von schädlichen Emissionen und Partikeln nach sich zieht. Schließlich wird der Wirkungsgrad der Turbinen nicht vollständig ausgenutzt, wenn man davon ausgeht, dass nicht der gesamte Abgasstrom durch sie hindurch geht.
  • In der Absicht, die oben genannten Nachteile zu beseitigen, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein turboaufgeladener Dieselmotor, der alle Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Dank der oben genannten Merkmale weist der erfindungsgemäße Motor eine Reihe von Vorteilen auf. Zunächst einmal sind die rückgeführten Gase "sauber", sofern sie bereits die Aufbereitungsvorrichtung durchlaufen haben, die den Katalysator und den Partikelfilter umfasst. Auf diese Weise werden die Verschmutzungserscheinungen der Ventile und der Motorleitungen beseitigt oder jedenfalls erheblich reduziert. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Erfindung ergibt, ist die Garantie einer exzellenten Bindung zwischen rückgeführten Gasen und Frischluft, woraus sich eine Gleichförmigkeit der Verbrennung zwischen den verschiedenen Zylindern ergibt. Des Weiteren ist die Temperatur der rückgeführten Gase relativ niedrig, da sie stromabwärts der Turbine und stromabwärts der Abgasaufbereitungsvorrichtung angesaugt werden, mit der Folge, dass auch das Gemisch aus rückgeführten Gasen und Luft bei der Aufnahme durch den Motor eine relativ niedrige Temperatur hat, was die Reduktion von Emissionen (Partikel und NOx) ermöglicht. Schließlich wird die Turbine dank der Merkmale der Erfindung vom gesamten Abgasstrom durchlaufen, was die Steuerung des Kompressors mit größtmöglichem Wirkungsgrad ermöglicht.
  • In dem erfindungsgemäßen System wird das Gemisch aus rückgeführten Abgasen und angesaugter Luft dann durch den Kompressor verdichtet und durch den Zwischenkühler (Luft/Luft- oder Luft/Wasser-Tauscher) gekühlt, der im Ansaugrohr stromabwärts des Kompressors vorgesehen ist.
  • Das Ventil zur Regulierung des Strömungsverlaufs der Rückführungsgase kann von jeder bekannten Art sein und ist am Zulauf des Rückführungsrohrs in das Ansaugrohr vorgesehen.
  • Wie bereits erwähnt, liegt der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Systems in der Tatsache, dass die rückgeführten Gase "sauber" sind, d. h. weitgehend ohne unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder suspendierte Partikel.
  • Ein möglicher Nachteil des erfindungsgemäßen Systems wie oben definiert könnte in einem relativ langsamen Ansprechen des Systems mit möglichen Problemen bei der Steuerung des Übergangsverhaltens des Motors liegen. Ein weiterer möglicher Nachteil könnte in der Tatsache liegen, dass das Gemisch aus den rückgeführten Gasen und Luft bei der Aufnahme durch den Motor immer eine relativ niedrige Temperatur hat, was einen Anstieg der CO- und HC-Emission während des Kaltstartens des Motors zur Folge hat. Um auch diese möglichen Nachteile zu beseitigen, wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zusätzlich zu dem oben beschriebenen Rückführsystem auch ein herkömmliches "kurzwegiges" Abgasrückführsystem mit einem Rückführungsrohr der in 1 dargestellten Art ins Auge gefasst, das stromaufwärts der Turbine vom Auslassrohr abzweigt und stromabwärts des Kompressors mit dem Ansaugrohr zusammenläuft. Auf diese Weise nutzt der Motor gleichzeitig sowohl ein erfindungsgemäßes Rückführsystem, d. h. des langwegigen Typs, als auch ein Rückführsystem des herkömmlichen Kurzweg- oder "Heißgas"-Typs.
  • In Kombination mit dem langwegigen Rückführsystem gemäß der Erfindung ist der Motor mit einem "internen" Abgasrückführsystem gemäß der Lehre der vorausgehenden europäischen Patentanmeldung EP 1 273 770 A2 im Namen des vorliegenden Anmelders ausgestattet. In diesem Dokument ist ein Motor dargestellt, der mit einem System zur variablen Betätigung der Motorventile ausgestattet ist (was im Rahmen der vorliegenden Erfindung nur auf die Einlassventile oder ansonsten sowohl auf die Einlassventile als auch die Auslassventile angewendet sein kann). In dem bekannten System, das auch auf den erfindungsgemäßen Motor anwendbar ist, werden die Motorventile durch die jeweiligen Nocken der Motornockenwelle unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeitsdruckkammer gesteuert, die mit Hilfe eines durch eine elektronische Steuereinheit gesteuerten Magnetventils entleert werden kann. Wenn die Druckkammer entleert ist, kehrt das jeweilige Ventil rasch in den Schließzustand zurück, selbst dann, wenn der Steuernocken es an sich offen halten würde. Durch Ausnutzen dieser Anordnung ist es demnach möglich, die Öffnungs- und Schließzeiten der Motorventile frei nach Wunsch zu variieren. Die oben genannte europäische Patentanmeldung fasst insbesondere die Möglichkeit ins Auge, die elektronische Steuervorrichtung des Systems so zu programmieren, dass die Einlassventile und Auslassventile im Arbeitszyklus des Motors phasenweise simultan geöffnet gehalten bleiben, um eine interne Rückführung der Abgase in den Kreislauf zu erreichen. Gemäß diesem Vorschlag kehrt während des normalen Auslasshubs eines Zylinders des Motors ein Teil der Abgase – anstatt in das Auslassrohr zu strömen – zurück in das Ansaugrohr und wird dann im nachfolgenden Einsaugtakt wieder in die Verbrennungskammer eingeleitet. Des Weiteren strömt der Teil der Abgase, der beim Auslasshub normalerweise in das Auslassrohr des Zylinders gelangt, während des Einsaugtakts ebenfalls wieder in die Verbrennungskammer zurück, wiederum aufgrund des simultanen Öffnens des Einlass- und des Auslassventils. Folglich gelangen beide oben genannten Gasmengen in die Verbrennungskammer zurück und werden im nachfolgenden Zyklus einer weiteren Verbrennung unterzogen.
  • Wie schon angedeutet, fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Motor, der in Kombination mit einem langwegigen Abgasrückführsystem des oben beschriebenen Typs auch ein "internes" Abgasrückführsystem des Typs ins Auge fasst, der den Gegenstand des Dokuments EP 1 273 770 A2 bildet. Auf diese Weise werden alle Vorteile des langwegigen Systems verwirklicht und seine Nachteile eliminiert.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die rein als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt werden, und in denen:
  • 1, die schon beschrieben wurde, sich auf einen herkömmlichen Motor gemäß dem Stand der Technik bezieht, während
  • 2 eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Motors darstellt.
  • In 2 sind die Teile, die mit denen der oben schon beschriebenen 1 übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Der Hauptunterschied hinsichtlich des in 1 dargestellten herkömmlichen Systems liegt in der Tatsache, dass im Falle der Erfindung das mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnete Abgasrückführungsrohr vom Hauptauslassrohr 14 abzweigt, und zwar ausgehend von einem Punkt A, der stromabwärts der Gasaufbereitungsvorrichtung 17 liegt, und mit dem Ansaugrohr 6 an einem Punkt zusammenläuft, der stromaufwärts des Kompressors 9 liegt, wo ein Ventil 21 irgendeiner bekannten Art zur Steuerung der Strömung des durch das Rohr 18 rückgeführten Abgases gelegen ist.
  • Natürlich ist der Aktuator des Ventils 21 in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik vorzugsweise durch eine elektronische Steuereinheit gemäß einer voreingestellten, programmierten Logik gesteuert. Auch im Falle der Erfindung ist vorzugsweise ein Zwischenkühler 20 vorgesehen, der innerhalb des Abgasrückführungsrohrs 18 angeordnet ist. Des Weiteren ist vorzugsweise ein Reglerventil 22 zum Zweck des Durchpressens großer Abgasmengen mit einer entsprechenden Betätigungsvorrichtung 23 vorgesehen, die imstande ist, den Drucksprung durch das Rückführungsrohr 18 zu erhöhen. Besagte Vorrichtung kann genauso gut am Ansaugrohr montiert sein, wie in 2 dargestellt, und zwar stromaufwärts des Punkts 21 des Einlasses der rückgeführten Gase oder auch am Auslassrohr 14 an einem Punkt stromabwärts des Bereichs A, wo das Gas zur Rückführung angesaugt wird.
  • Dank der oben beschriebenen Anordnung werden die Vorteile erreicht, die in der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt wurden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich zu dem in 2 dargestellten Rückführungsrohr 18, das mit einer langwegigen Abgasrückführung ausgestattet ist, auch mit einem Rückführungsrohr 18 des in 1 dargestellten Typs ausgestattet sein, nämlich gemäß einer kurzwegigen Anordnung. Auf diese Weise werden die Vorteile der beiden Systeme kombiniert und umgehen so die teilweisen Nachteile des langwegigen Systems.
  • In Kombination mit dem in 2 gezeigten langwegigen Abgasrückführsystem ist der Motor ferner mit einem internen Abgasrückführsystem gemäß den Lehren der europäischen Patentveröffentlichung EP 1 273 770 A2 im Namen des vorliegenden Anmelders versehen. In diesem Fall ist der Motor mit Mitteln des in dem bekannten Dokument dargestellten Typs ausgestattet. Insbesondere werden zumindest die Einlassventile 24 oder auch sowohl die Einlassventile 24 als auch die Auslassventile 25 des Motors (2) durch die jeweiligen Nocken der Motornockenwelle über ein hydraulisches, elektronisch gesteuertes System des Typs gesteuert, der in dem früheren Dokument im Namen des vorliegenden Anmelders dargestellt ist. Die Programmierung ist derart, dass in gegebenen Phasen des Arbeitszyklus des Motors die Einlass- und Auslassventile simultan offen gehalten werden, damit während des Auslasshubs in einem Zylinder des Motors ein Teil der Abgase wieder in das Ansaugrohr gelangt und im nachfolgenden Einsaugtakt die zuvor in das Einlassrohr geförderte Abgasmenge wieder in die Verbrennungskammer gelangt, und zwar zusammen mit einem weiteren Teil der Abgase, der vom Auslassrohr kommend in die Verbrennungskammer zurückgelangt, die auch während des Einlasshubs zeitweise offen gelassen wird. Folglich wird die Gesamtsumme der vorgenannten zwei Abgasmengen, die wieder in die Verbrennungskammer gelangen, noch einmal einem Verbrennungstakt unterzogen und stellt so eine motorinterne Abgasrückführung bereit. Auch die Anordnung der internen Abgasrückführung in Kombination mit dem langwegigen Rückführsystem gemäß der Erfindung ermöglicht die Maximierung der Vorteile dieser Lösung, ohne dabei die Nachteile aufzuweisen.

Claims (1)

  1. Turboaufgeladener Dieselmotor, umfassend: – mindestens einen Zylinder (2) mit mindestens einem Einlassventil (24) und mindestens einem Auslassventil (25), die jeweils ein Ansaugrohr (3, 4) und ein Auslassrohr (12) steuern; – einen Kompressor (9), der in einem Hauptluftansaugrohr (6) eingesetzt ist, das mit dem oben genannten Ansaugrohr (3, 4) des Zylinders (2) verbunden ist; – eine Steuerungsturbine (15) zum Antrieb des Kompressors (9), die in einem Hauptauslassrohr (14) eingesetzt ist, das mit besagtem Auslassrohr (12) des Zylinders (2) verbunden ist; – eine Abgasaufbereitungsvorrichtung (17), die im Hauptauslassrohr (14) stromabwärts der Turbine (15) eingesetzt ist und einen Katalysator (17a) und einen Partikelfilter (17b) umfasst, und – ein Abgasrückführungsrohr (18), das durch ein zugehöriges Abgasrückführungsventil (19) gesteuert wird, um wenigstens einen Teil der Abgase, die in dem Hauptauslassrohr (14) strömen, zurück in das Hauptansaugrohr (6) zu leiten; – wobei besagtes Abgasrückführungsrohr (18) eine Nebenleitung des Hauptauslassrohrs (14) ist, die an einem Punkt (A) stromabwärts der Turbine (15) und der Abgasaufbereitungsvorrichtung (17) abzweigt and an einem Punkt (21) stromaufwärts des Kompressors (9) wieder mit dem Hauptansaugrohr (6) zusammenläuft, – wobei in das Abgasrückführungsrohr (18) ein Zwischenkühler (20) eingesetzt ist, – wobei das Abgasrückführungsventil (21) am Zulauf des Abgasrückführungsrohr (18) in dem Hauptansaugrohr (6) eingesetzt ist, – wobei in dem Hauptansaugrohr (6) ein Reglerventil (22) eingesetzt ist, und zwar stromaufwärts des Zulaufs (21) des Abgasrückführungsrohrs (18), dadurch gekennzeichnet dass zumindest das Einlassventil (24) des Zylinders (2) durch ein elektrisch gesteuertes, variables Betätigungssystem gesteuert wird, das bereitgestellt wird, damit sich das Einlassventil (24) und das Auslassventil (25) phasenweise simultan öffnen können, um eine Abgasrückführung innerhalb des Motors bereitzustellen, und wobei die Motorventile (24, 25) durch die jeweiligen Nocken der Motornockenwelle unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeitsdruckkammer gesteuert werden, die mit Hilfe eines durch eine elektronische Steuereinheit gesteuerten Magnetventils entladen werden kann.
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