DE69722632T2

DE69722632T2 - Brennkraftmaschine mit abgasrückführung

Info

Publication number: DE69722632T2
Application number: DE69722632T
Authority: DE
Inventors: Olof Nils HAAKANSSON
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: EP0920580B1; JP2000516323A; WO1998007976A1; US6233936B1; SE510223C2; AU3873897A; SE9603028D0; DE69722632D1; BR9711208A; SE9603028L; EP0920580A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Einlasskrümmer bzw. einen Abgaskrümmer, die sich in Einlassleitungen bzw. Abgasleitungen zu den Motorzylindern öffnen, eine Ladeeinheit, deren Druckseite mit einer Einlassluftleitung verbunden ist, die sich in den Einlasskrümmer öffnet; und eine Leitung zur Rückführung von Abgas von der Abgasseite des Motors zu dessen Einlassseite.
EP-A-585 105 (1 Spalte 1) offenbart eine Brennkraftmaschine umfassend einen Einlasskrümmer 5 bzw. einen Abgaskrümmer 6, die sich in Einlassleitungen bzw. Abgasleitungen zu den Motorzylindern öffnen, eine Ladeeinheit 1, deren Druckseite 7 mit einer Einlassluftleitung 7 verbunden ist, die sich in den Einlasskrümmer öffnet; und eine Leitung 8, welche Abgase von der Abgasseite des Motors zu dessen Einlassseite rückführt, wobei die Rückführleitung 8 mit einer Ventileinrichtung 10 kommuniziert, die direkt mit dem Abgaskrümmer verbunden ist.
In aufgeladenen Brennkraftmaschinen, beispielsweise Turbomotoren, ist der Ladedruck auf der Einlassseite in dem Einlasskrümmer oftmals höher als der mittlere Druck des Abgases in dem Abgaskrümmer, was bedeutet, dass die herkömmlichen Verschluss- und Ventilvorrichtungen, die in Saugmotoren verwendet werden, in aufgeladenen Motoren nicht zum Übertragen von Abgas zu der Druckseite des Kompressors verwendet werden können. Es ist bekannt, dies durch Verwendung einer Art von Druckerhöher auf der Abgasseite zu erzielen, beispielsweise einer Engstelle in der Form einer Turboeinheit mit variabler Geometrie, oder einer Art Pumpvorrichtung.
Falls das Prinzip der Druckerhöhung verwendet wird, bedeutet dies, dass der Motor gegen einen Druck mit seinem gesamten Abgasstrom arbeiten wird, um nur einen Teil des Stromes, näherungsweise 10%, zu der Einlassseite zurückzuführen, was zu einem unerwünschten Verlust an Effizienz führt. Das Prinzip mit einer Pumpe bringt zusätzlich zu Extrakosten und Komplexität einen schädlichen Verlust entsprechend dem Anstieg des Drucks von etwa 10% des Abgasstromes geteilt durch die Effizienz der Pumpe mit sich, d. h. insgesamt näherungsweise 20% des Abgasstromes mal dem Anstieg des Drucks.
Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, in welcher Abgas zu der Einlassseite zurückgeführt werden kann, ohne jeglichen Effizienzverlust und mit einer viel einfacheren und weniger teuren Einrichtung als einer Pumpvorrichtung.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Druck während den Druckpulsationen in dem Abgaskrümmer Druckspitzen besitzt, welche den Ladedruck in dem Einlasskrümmer übersteigen, und verwendet eine Ventileinrichtung, die bei diesen Druckspitzen öffnet, jedoch dazwischen geschlossen gehalten ist, um zu verhindern, dass Einlassluft zu der Abgasseite strömt.
In ihrer einfachsten Form kann die Ventil- und Steuereinrichtung durch Rückschlagventile gebildet sein, die als solche zur EGR-Steuerung bekannt ist (vgl. DE-A-28 23 067).
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit einer Ventil- und Steuereinrichtung gemäß der Erfindung zeigt, 2 zeigt ein Diagramm, welches den Abgas- und Ladedruck sowie den Massenstrom zurückgeführten Abgases zeigt, 3 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Abgaskrümmers mit einer Ventileinrichtung, und 4 zeigt eine Ansicht entsprechend 1 in einer zweiten Ausführungsform.
In 1 und 4 bezeichnet 1 einen 6-Zylinder-Dieselmotor mit einem Abgaskrümmer 2 und einem Einlasskrümmer 3. Der Abgaskrümmer ist in zwei Zweigabschnitte 2a und 2b mit jeweils drei Zweigen aufgeteilt, die mit den Abgasleitungen des Motors kommunizieren. Die Zweigabschnitte 2a, 2b öffnen sich in den Einlass 4 einer Abgasturbine 5, mit welcher ein Kompressor 6 antreibbar gekoppelt ist. Der Kompressor 6 besitzt einen Einlass 7 für Einlassluft und einen Auslass 8, der mit einer Einlassluftleitung 9 gekoppelt ist, welche über einen Ladeluftkühler 10 die Einlassluft zu dem Einlasskrümmer 3 leitet. Die Abgasturbine 5 ist über einen Abgasdruckregler 11 mit einer Abgasleitung 12 verbunden.
13 bezeichnet allgemein eine Steuereinheit, die an sich bekannt ist und die bevorzugt ein Microcomputer ist, der unterschiedliche Motor- und Fahrzeugfunktionen in Abhängigkeit von Motordaten steuert, welche in die Steuereinheit eingegeben werden, wie Ladedruck, Drehzahl und Lufttemperatur, sowie Fahrzeugdaten wie ABS ein/aus Fahrzeuggeschwindigkeit, Gaspedalposition etc.
Jeder Zweigabschnitt 2a und 2b ist mit einem kurzen Rohr 15a, 15b verbunden, das mit dem Einlass zu einem Rückschlagventil 16a, 16b (1) kommuniziert, dessen Auslass mit Leitungen 17a, 17b verbunden ist, welche zusammenkommen und sich in einen Kühler 18 öffnen, von welchem eine Leitung 19 zu einem Einlass 20 zu dem Einlasskrümmer 3 des Motors führt. In der Leitung 19 ist ein Regelventil 21 angeordnet, das durch die Steuereinheit 13 gesteuert wird. Das Regelventil 21 regelt den Strom von dem Kühler 18 zu dem Einlasskrümmer 3.
Wenn der Betriebszustand des Motors derart ist, dass Abgas zu dem Einlasskrümmer zurückgeführt werden kann, sendet die Steuereinheit 13 Signale zu dem Regelventil 21, um die Kommunikation zwischen dem Kühler 18 und dem Einlasskrümmer 3 zu öffnen. Sobald der Druck des Abgasimpulses in dem Abgaskrümmer 2 den Ladeluftdruck, d. h. den Druck in der Leitung 17a, 17b überschreitet, öffnen sich die Rückschlagventile 16a, 16 und Abgas kann auf die Einlassseite des Motors strömen. In dem in 1 gezeigten Beispiel mit einem Rückschlagventil 16a, 16b für jede Gruppe von drei Zylindern öffnen sich die Rückschlagventile während zwei Umdrehungen der Kurbelwelle dreimal, wie in dem Diagramm in 2 veranschaulicht, in welchem die Kurve A den Abgasdruck in jedem Zweigabschnitt 2a, 2b darstellt, während die Kurve B den Ladeluftdruck in dem Einlasskrümmer 3 und die Kurve C den Massenstrom des zurückgeführten Abgases darstellt.
3 zeigt ein Rückschlagventil 16a in einem größeren Maßstab und derart angeordnet, dass seine Ventilscheibe 31 in der geschlossenen Position des Ventils gegen den Rand eines Einlasses 32 abdichtet, der durch eine Öffnung direkt in der Krümmerwand gebildet ist. Die Krümmerscheibe 31 ist mit einer Ventilspindel 33 verbunden, die wiederum durch eine Feder 34 beaufschlagt ist, welche die Scheibe 31 in ihre geschlossene Position vorspannt. Durch Montieren des Ventils in einem kürzest möglichen Abstand von den Zylindern des Motors wird eine geringst mögliche Dämpfung der Abgasimpulse erzielt. Um die Ventile vor der hohen Temperatur des Abgaskrümmers zu schützen, sind sie mit Kühlrippen 35 ausgestattet. Das Ventil 16a besitzt einen Rohrstumpf 36, mit welchem die Leitung 17a zu verbinden ist.
Die Anordnung in 4 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten darin, dass die Rückschlagventile 16a, 16b durch ein Paar elektromagnetisch betätigter Ventile 40a, 40b ersetzt sind, die über einen Verstärker 41 durch die Steuereinheit 13 gesteuert werden. Die Ventile und ihr Schließen werden etwas komplizierter sein als bei Verwendung der Rückschlagventile 16a, 16b, welche durch den Druckunterschied zwischen dem Ladedruck und dem Abgasdruck gesteuert werden, jedoch kann die Steuerung andererseits genauer ausgeführt werden. 4 zeigt ebenso ein zusätzliches Regelventil 42, mittels dessen die Menge zurückgeführten Abgases gesteuert wird, falls die Ventile 40a, 40b von einem Typ sind, der nur zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position umschalten kann. Falls die Ventile 40a, 40b Regelventile mit einem verstellbaren Öffnungsgrad sind, kann das Regelventil 42 weggelassen werden. Als eine Alternative zu Rückschlagventilen oder elektromagnetisch gesteuerten Ventilen können Ventile verwendet werden, die hydraulisch durch ein Nockenwellensystem gesteuert werden.

Claims

Brennkraftmaschine, umfassend einen Einlasskrümmer (3) bzw. einen Abgaskrümmer (2), die sich in Einlassleitungen bzw. Abgasleitungen zu bzw. von den Motorzylindern öffnen, eine Ladeinheit (6), deren Druckseite (8) mit einer Einlassluftleitung (9) verbunden ist, die sich in den Einlasskrümmer öffnet; und eine Leitung (17a, 17b, 19) zur Rückführung des Abgases von der Abgasseite des Motors zu dessen Einlassseite, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (17a, 17b, 19) mit einer Ventileinrichtung (16a, b; 14a, b) kommuniziert, die direkt mit dem Abgaskrümmer derart verbunden ist, dass das Ventilelement des EGR-Ventils, welches den Strom durch das Ventil regelt, eine Öffnung in dem Abgaskrümmer öffnet und schließt, und dass eine Ventilregeleinrichtung (13) angeordnet ist, um während derartigen Betriebsbedingungen, in welchen das Abgas zurückzuführen ist, es der Ventileinrichtung nur zu erlauben sich zu öffnen, wenn der Abgasdruck in dem Krümmer (2) höher ist als der Luftdruck auf der Druckseite der Ladeeinheit (6).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung durch mindestens ein Rückschlagventil (16a, 16b) gebildet ist, das angeordnet ist, um zur Abgasrückführung zu öffnen, wenn der Abgasdruck in dem Krümmer (2) höher ist als der Einlassluftdruck.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung durch mindestens ein Magnetventil (40a, 40b) gebildet ist, das durch eine Regeleinheit (14) geregelt ist, die angeordnet ist, um in Abhängigkeit von zu der Regeleinheit zugeführten Motordaten das Ventil zu öffnen, wenn der Abgasdruck in dem Krümmer (2) höher ist als der Einlassluftdruck.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (17a, b, 19) mit der Einlassseite über einen Kühler (18) kommuniziert.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (2) in mindestens zwei Zweigabschnitte (2a, b) aufgeteilt ist, die sich in ein gemeinsames Abgasrohr (4) öffnen, und dass die Ventileinrichtung ein Ventil (16a, b; 40a, b) in jedem Zweigabschnitt aufweise.