DE69732534T2

DE69732534T2 - Abgasrückführung in verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE69732534T2
Application number: DE69732534T
Authority: DE
Inventors: Norbert Paas
Original assignee: Foundation Coal Development Corp
Current assignee: Dry Systems Technologies Inc (n Dges D S Us
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: EP1503070B1; US5785030A; WO1998027323A2; EP1503070A2; DE69732534D1; DE69737838T2; AU5794198A; DE69737840D1; EP1503071A3; EP1503071A2; EP1503070A3; EP1503071B1; ZA9710359B; EP0956443A2; DE69737840T2; WO1998027323A3; EP0956443A4; EP0956443B1; DE69737838D1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Emissionssteuerungssysteme für Verbrennungsmotoren im allgemeinen und insbesondere Abgasrückführungssysteme für Dieselmotoren.
Stand der Technik
Ein mit dem Gebrauch von Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Benzinmotoren und Dieselmotoren, in Verbindung stehendes Problem hängt mit der Bildung verschiedener Verbindungen gasförmiger Stickoxide (NO_x), wie beispielsweise von Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffoxid (NO₂), etc., beim Verbrennungsprozeß zusammen. Wie allgemein bekannt ist, trägt das Vorhandensein derartiger Verbindungen in den Abgasen beträchtlich zu gesundheitsschädlichen, durch derartige Motore hervorgerufenen Emissionen bei. Allgemein ausgedrückt, steht die vom Motor erzeugte Menge an Stickoxiden sowohl zur Verbrennungstemperatur als auch zum Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases in Beziehung. Bis zu einem bestimmten Grad steht die Bildung von Stickoxiden auch zum maximalen Verbrennungsdruck in Beziehung.
Ein Verfahren zur Reduzierung der Menge gasförmiger Stickoxide im Abgas besteht darin, die Verbrennungstemperatur durch Einspritzen von Wasser in den Verbrennungsraum zu reduzieren. Wenngleich derartige Wassereinspritzsysteme mit einem gewissen Erfolg verwendet wurden, stellen sie kein Allheilmittel dar. Beispielsweise ist die Installation von Wassereinspritzsystemen teuer und erfordert häufig spezielle Wartungsprozeduren, um ihren Betrieb bei höchster Wirksamkeit aufrecht zu erhalten. Ein weiteres mit der Injektion von Wasser in Verbindung stehendes Problem besteht darin, daß die Einspritzung von Wasser in den Verbrennungsraum zwar die Gesamtverbrennungstemperatur reduziert, jedoch auch tendenziell den Gesamtverbrennungsdruck erhöht, was zur Bildung zusätzlicher Stickoxide führen kann, wodurch offensichtlich die durch die niedrigeren Verbrennungstemperaturen erzielte Reduktion von Stickoxiden teilweise aufgehoben wird. Des weiteren kann das eingespritzte Wasser auch zu Bildung von Schwefelsäure (H₂SO₄) führen, wenn der Kraftstoff eine wahrnehmbare Menge an Schwefel enthält, wie dies bei vielen Dieselkraftstoffen der Fall ist.
Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung des Stickoxidgehalts der Abgase besteht darin, einen Teil der Abgase in das Ansaugrohr zurückzuführen. Das zurückgeführte Abgas mischt sich mit der aufgenommenen Luftmenge, wodurch deren Gesamtsauerstoffgehalt reduziert wird, was offensichtlich bedeutet, daß bei der Verbrennung weniger Sauerstoff zur Bildung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Derartige Abgasrückführungssysteme (EGR) erwiesen sich als sehr wirkungsvoll, wenn sie bei herkömmlichen Ottomotoren oder Benzinmotoren verwendet werden. Tatsächlich werden EGR-Systeme in weitem Umfang in Kfzs und Lkws mit Benzinmotoren verwendet.
Ungünstigerweise erwies es sich jedoch als wesentlich schwieriger, derartige EGR-Systeme in Selbstzündungsmotoren oder Dieselmotoren zu integrieren. Eines der größten Probleme steht in Beziehung zu den verschiedenen Partikelverbindungen, die im Abgas von Dieselmotoren vorgefunden werden und im Abgas von Benzinmotoren nicht vorliegen.
Allgemein umfassen die Feststoffe (d.h. der Ruß) im Abgas von Dieselmotoren kleine, feste, irregulär geformte Partikel, die ihrerseits Agglomerate kleinerer Partikel sind. Die Feststoffe können häufig auf ihren Oberflächen absorbierte Kohlenwasserstoffe mit hohem Molekulargewicht umfassen. Häufig handelt es sich bei den Feststoffen um eine komplexe Mischung aus reinem Kohlenstoff und verschiedenen Arten organischer Materialien und die Größe kann im Bereich von sehr kleinen Partikeln von ungefähr 0,01 μm bis zu relativ großen Clustern mit Größen im Bereich von 10–30 μm variieren, wodurch den Partikeln eine extrem feine und leichte, mehlartige Konsistenz verliehen wird. Turbo-geladene Dieselmotoren weisen die Tendenz auf, verstärkt die kleineren Partikel mit einem wesentlich geringeren Niveau an zurückgehaltenen organischen Verbindungen auszustoßen.
Ungeachtet der Zusammensetzung der Feststoffe auferlegt dies der erfolgreichen Verwendung eines EGR-Systems tendenziell beträchtliche Schwierigkeiten. Beispielsweise zeigen die Feststoffe die Tendenz, sich auf nahezu jeder Oberfläche, mit der sie in Kontakt kommen, anzusammeln und können sich im EGR-Ventil ansammeln, wodurch eine frühzeitige Abnutzung oder sogar ein Versagen des Ventils bewirkt werden kann. Die Feststoffe neigen auch dazu, sich auf den inneren Oberflächen des Ansaugrohrs und der Einlaßventile anzusammeln, wodurch die Motorleistung vermindert und die Abnutzung des Einlaßventils erhöht werden kann. Das Vorliegen der Feststoffe im Ansaugvolumen kann auch den Abrieb auf den Zylindern, Kolben und Ringen erhöhen.
Während es theoretisch möglich ist, die Stickoxidemissionen (NO_x) von Dieselmotoren durch Verwendung von EGR-Systemen zu reduzieren, erwies es sich als wesentlich schwieriger, ein EGR-System zu konstruieren, das auch von einem praktischen Standpunkt aus betrachtet wirkungsvoll ist. Daher erfordern die meisten bei Dieselmotoren verwendeten EGR-Systeme tendenziell eine übermäßige Wartung, ein häufiges Reinigen oder können schlimmstenfalls die Lebensdauer des Motors verkürzen. Daher fanden die meisten EGR-Systeme für Dieselmotoren niemals eine weite Verbreitung.
Stand der Technik, der für das Verständnis der Erfindung als nützlich betrachtet wird, ist (a) das US-Patent 5,085,049 mit dem Titel „Diesel Engine Exhaust Filtration System and Method" zur Filterung von Dieselfeststoffen (DPM) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) aus Dieselabgasen durch parallele Verwendung zweier Filter zur Verbrennung angesammelter DPM und UHC im inaktiven Filter und zum Rezirkulieren der Gase von der Verbrennung (Regeneration) zum Lufteinlaß; (b) das US-Patent 5,205,256 mit dem Titel „Exhaust Gas Recirculation System" zur Rückführung von Abgas von einem mit einem Turbolader ausgestatteten Motor in ein Einlaßsystem von einem Auslaßsystem und einem Rückkanal zur Rückführung von in den Abgaszirkulationskanal eingeführtem Abgas zum Abgassystem; (c) das US-Patent 5,272,847 mit dem Titel „Exhaust Treatment System", bei dem eine mit dem Abgassystem verbundene Partikelfilteranordnung für einen Dieselmotor zur Entfernung der im Motorabgas mitgeführten Rußfeststoffe verwendet wird; und (d) die EP 0 596 855 mit dem Titel „Internal combustion engine with exhaust turbo-charger" zur Rückführung von gekühltem Abgas zur Reduktion von Stickstoffdioxid, wobei eine einem Wärmetauscher vorgeschaltete Gasreinigungsvorrichtung verwendet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein EGR-System bereitzustellen, das wirkungsvoll bei Dieselmotoren verwendet werden kann, wobei das EGR-System zu einer beträchtlichen Reduktion von Stickoxidemissionen führt, ohne daß eine aufwendige Wartung oder ein häufiges Reinigen verschiedener Komponenten des EGR-Systems erforderlich ist, wobei das EGR-System die Menge der Rußbildung im Einlaßsystem des Motors reduziert und somit die Lebensdauer des Motors, verglichen mit herkömmlichen EGR-Systemen, verlängert wird.
Diese Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Ansprüche 1 und 9. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Ein Abgasrückführungssystem für einen Verbrennungsmotor kann ein EGR-Ventil mit einem mit dem Abgasrohr des Motors verbundenen Einlaßende und einem mit dem Einlaßende eines Wärmetauschers verbundenen Auslaßende umfassen. Das Auslaßende des Wärmetauschers ist wiederum mit dem Einlaßende einer -Filteranordnung verbunden, deren Auslaßende mit dem Ansaugrohr des Motors verbunden ist. Ein mit dem EGR-Ventil verbundenes Ventilsteuerungssystem öffnet und schließt selektiv das Ventil, um gekühlte und gefilterte Abgase in das Ansaugrohr des Motors zu richten. Ein intermittierendes Wasserinjektionssystem kann an das Einlaßende des Wärmetauschers angeschlossen sein und kann dazu verwendet werden, eine vorbestimmte Menge an Wasser in den Einlaß des Wärmetauschers zu periodischen Zeitintervallen einzuspritzen, um angesammelte Rußablagerungen von den inneren Oberflächen des Wärmetauschers zu entfernen.
Ebenfalls offenbart wird ein Verfahren zur Rückführung von in einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasen, das zunächst die Schritte eines Absaugens einer Menge von zurückzuführenden Abgasen vom Abgasrohr und dann eines Kühlens der Abgase in einem Wärmetauscher umfaßt. Die gekühlten Abgase werden dann gefiltert, um darin mitgeführte Feststoffe zu entfernen und danach in das Ansaugrohr geführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Veranschaulichende und momentan bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den begleitenden Zeichnungen gezeigt, in welchen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Abgasrückführungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Ansicht im Querschnitt von oben der Wärmetauscheranordnung ist;
3 eine Ansicht im Querschnitt von oben der Filteranordnung ist;
4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Abgasrückführungssystems ist, das bei einem Turboladermotor verwendet werden könnte; und
5 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Abgasrückführungssystems ist, das bei einem Abgasbehandlungssystem des Typs verwendet werden könnte, der sich für eine Verwendung im Untertagebergbau in Gegenwart explosiver Atmosphären eignet.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Abgasrückführungssystem 10 (EGR) gezeigt, das sich zur Verwendung bei einem normal ansaugenden (d.h. nicht Turbo-geladenen) Dieselmotor 12 des in breitem Umfang bei Fahrzeugen und Anwendungen verwendeten Typs eignet. Im wesentlichen wird das rückzuführende Abgas zunächst durch das EGR-System gekühlt und dann gefiltert, wodurch die mit der Rückführung von heißen mit Partikeln angereicherten Dieselabgasen in das Ansaugrohr in Verbindung stehenden Probleme im wesentlichen beseitigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Abgasrückführungssystem 10 (EGR) eine EGR-Ventilanordnung 14, eine Katalysatoranordnung 16, eine Wärmetauscheranordnung 18, eine Filteranordnung 20 und ein Ventilsteuerungssystem 22. Die Anordnung ist derart, daß die EGR-Ventilanordnung 14 an das Abgasrohr 24 des Motors 12 angeschlossen ist, während sich der Katalysator, der Wärmetauscher und die Filteranordnungen 16, 18 bzw. 20 an sequentiell stromabwärts angeordneten Orten bezüglich der EGR-Ventilanordnung befinden. Alternativ kann die EGR-Ventilanordnung zwischen der Filteranordnung und dem Ansaugrohr angeschlossen sein, wie am besten in 5 zu erkennen ist. Die EGR-Ventilanordnung 14 kann mittels eines Ventilsteuerungssystems 22 betrieben (d.h. geöffnet und geschlossen) werden, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an die Drosselventilanordnung 28 des Motors 12 angeschlossen ist. Das Ventilsteuerungssystem 22 ist so aufgebaut, daß die EGR-Ventilanordnung 14 geöffnet wird, wenn der Motor 12 ungefähr bei halber Drosselung (d.h. 50%) betrieben wird.
Optional kann das EGR-System 10 eine Katalysatoranordnung 16 umfassen, um die in die jeweilige Wärmetauscher- und Filteranordnung 18 bzw. 20 eintretende Menge an Feststoffen bis zu einem gewissen Grad zu reduzieren. Die optionale Katalysatoranordnung 16 kann ein Katalysatorbett umfassen, das irgendeinen einer Vielzahl von zur Verwendung bei Dieselmotoren geeigneten Katalysatoren, wie beispielsweise Platin, Palladium, etc., umfaßt. Alternativ könnten andere Katalysatormaterialien verwendet werden, wie für den Durchschnittsfach mann verständlich ist. Während die primäre Funktion der Katalysatoranordnung 16 darin besteht, die Menge an in die Wärmetauscher- und Filteranordnung 18 bzw. 20 eintretenden Feststoffen zu reduzieren, ist er bei der Reduzierung der Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ebenso wirkungsvoll.
Die Wärmetauscheranordnung 18 ist an die Katalysatoranordnung 16 angeschlossen und kühlt die Abgase von relativ hohen Temperaturen im Bereich von ungefähr 1200°F bis 1500°F auf niedrigere Temperaturen, die vorzugsweise ungefähr 300°F nicht übersteigen. Die Verwendung der Wärmetauscheranordnung 18 zur Temperaturreduzierung der zurückgeführten Abgase ermöglicht die Verwendung eines relativ kostengünstigen wegwerfbaren Papierfilterelements 32 (3) zur Verwendung bei der Entfernung der Feststoffe aus dem Abgas. Die relativ kühlen rückgeführten Abgase reduzieren, verglichen mit herkömmlichen EGR-Systemen, bei welchen die Abgase nicht gekühlt werden, auch den Temperaturanstieg der gesamten Ansaugluftmenge. Selbstverständlich ermöglicht die kühlere Ansaugluftmenge eine erhöhte Motorleistung in den Zeiträumen, in welchen Abgase zurückgeführt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Wärmetauscheranordnung 18 auch ein intermittierendes Wasserinjektionssystem 30 zum periodischen Entfernen von Rußansammlungen von den inneren Oberflächen des Wärmetauschers 18, um den maximalen thermischen Wirkungsgrad beizubehalten.
Die Filteranordnung 20 ist an die Wärmetauscheranordnung 18 und an das Ansaugrohr 26 auf die am besten in 1 zu erkennende Weise angeschlossen. Bei einer Ausführungsform umfaßt die Filteranordnung 20 ein wegwerfbares Niedrigtemperaturfilterelement 32 (3). Durch das Filterelement 32 werden im wesentlichen die gesamten verbleibenden Feststoffe aus den katalysierten und gekühlten Abgasen 80 entfernt (3). Die gekühlten und gefilterten Abgase 83 (3) treten aus der Filteranordnung 20 aus und werden in das Ansaugrohr 26 gerichtet, worauf sie mit der Ansaugluftmenge gemischt werden.
Das EGR-System 10 hat folgende Funktionsweise: Wenn der Motor 12 unter geringer Belastung ist, wie beispielsweise bei einem Betrieb mit einer Drosselung von weniger als der Hälfte, d.h. 50%, hält das Ventilsteuerungssystem 22 die EGR-Filteranordnung 14 in der geschlossenen Position und die gesamten Abgase 34 treten über die Auspuffanordnung 36 aus dem Abgasrohr 24 aus. Das bedeutet, daß kein Abgas zurückgeführt wird. Wird der Motor 12 oberhalb ungefähr der halben Drosselung betrieben, öffnet das Ventilsteuerungssystem 22 die EGR-Ventilanordnung 14. Das geöffnete EGR-Ventil 14 läßt zu, daß ein Teil des im Abgasrohr 24 enthaltenen Abgases 34 über die verschiedenen vom EGR-System 10 umfaßten Komponenten in das Ansaugrohr 26 gerichtet wird.
Zuerst werden die zurückzuführenden Abgase durch die Katalysatoranordnung 16 geführt. Die Abgase 34 werden von der Katalysatoranordnung 16 durch Verbrennen (d.h. Oxidieren) eines Teils der unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen katalysiert. Das Verbrennen der unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen hat des weiteren die Wirkung, die Menge der im Abgas enthaltenen Feststoffe bis zu einem gewissen Grad zu reduzieren. Von der Katalysatoranordnung 16 wird des weiteren ein Teil des Kohlenmonoxids (CO)-Gases zur Bildung von Kohlendioxidgas (CO₂) oxidiert. Offensichtlich erhöht die durch die in der Katalysatoranordnung 16 auftretenden Oxidationsreaktionen freigesetzte Wärme tendenziell die Temperatur der Abgase. Beispielsweise liegen bei einer bevorzugten Ausführungsform die Temperaturen der katalysierten Abgase im Bereich von ungefähr 1200°F bis 1500°F.
Die katalysierten Abgase 76 (2) von der Katalysatoranordnung 16 treten als nächstes in die Wärmetauscheranordnung 18 ein. Der Hauptzweck des Wärmetauschers 18 besteht darin, die Temperatur der Abgase zu verringern, so daß ein relativ kostengünstiges Papierfilterelement 32 zum Filtern der Feststoffe aus den Abgasen verwendet werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die katalysierten Abgase 76 durch die Wärmetauscheranordnung 18 auf Temperaturen gekühlt, die im allgemeinen ungefähr 300°F nicht überschreiten. Als nächstes werden die gekühlten und katalysierten Abgase 80 in die Filteranordnung 20 geführt, in der im wesentlichen die gesamten Feststoffe aus den Abgasen entfernt werden. Die gefilterten Abgase 83 werden dann in das Ansaugrohr 26 gerichtet, wo sie mit dem Ansaugvolumen gemischt und in die Zylinder gesaugt werden.
Gegebenenfalls ist es während des EGR-Betriebs notwendig, den angesammelten Ruß von den inneren Oberflächen der Wärmetauscheranordnung 18 zu entfernen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der angesammelte Ruß durch Aktivieren des intermittierenden Wasserinjektionssystems 30 entfernt werden. Im wesentlichen entfernt das intermittierende Wasserinjektionssystem 30 die Rußablagerungen durch Injizieren einer kleinen Menge an Wasser 98 (2) in die heißen katalysierten, in den Wärmetauscher 18 eintretenden Abgase 76. Beim Kontakt mit den heißen katalysierten Abgasen 76 wird das Wasser 98 näherungsweise unmittelbar zu Dampf verdampft. Der Dampf dehnt sich rasch aus, wodurch ein Druck puls erzeugt wird, der den angesammelten Ruß von den inneren Oberflächen der Kühlrohre 58 ablöst und ihn zur Filteranordnung 20 befördert, wo er aus den Abgasen entfernt wird.
Ein beträchtlicher Vorteil des EGR-Systems 10 besteht darin, daß es die praktische Integration der EGR in Dieselmotoren oder jeden anderen Typ von Motor zuläßt, mit dem relativ große Mengen an Feststoffen in den Abgasen erzeugt werden. Durch die Filteranordnung 20 wird eine wesentliche Menge der Feststoffe aus dem zurückzuführenden Abgas entfernt, so daß mit der Rußbildung im Motoransaugsystem, d.h. im Ansaugrohr und in den Ansaugventilen, in Verbindung stehende Probleme vermieden werden. Die gefilterten zurückgeführten Abgase reduzieren des weiteren den Abrieb auf den Zylindern, Kolben und Ringen.
Noch ein weiterer Vorteil des EGR-Systems 10 besteht darin, daß die Temperatur der zurückgeführten Abgase beträchtlich geringer ist als im Fall herkömmlicher EGR-Systeme, bei welchen die zurückgeführten Abgase nicht gekühlt werden. Die relativ kühlen zurückgeführten Abgase lassen die Verwendung eines relativ kostengünstigen Papierfilterelements zu. Die gekühlten zurückgeführten Abgase hindern des weiteren diese an einer übermäßigen Erhöhung der Gesamttemperatur der angesaugten Luftmenge, wodurch die Motorleistung erhöht wird.
Noch weitere Vorteile stehen in Verbindung mit dem intermittierenden Wasserinjektionssystem 30. Mittels des Wasserinjektionssystems 30 wird beispielsweise eine wirkungsvolle und praktische An zur Reinigung der inneren Oberflächen des Wärmetauschers 18 ohne ein Abschalten des Systems und eine Demontage des Wärmetauschers 18 zum Reinigen bereitgestellt.
Nachdem das EGR-System 10 nun zusammen mit einigen seiner bedeutsameren Eigenschaften und Vorteile beschrieben wurde, werden nun verschiedene Ausführungsformen des EGR-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung in Einzelheiten beschrieben. Wieder mit Bezugnahme auf 1 ist eine Ausführungsform 10 des erfindungsgemäßen EGR-Systems gezeigt, wie es in Verbindung mit einem normal ansaugenden, d.h. und nicht Turbo-geladenen Dieselmotor 10 des im Stand der Technik bekannten Typs verwendet werden könnte. Es sollte verständlich sein, daß der spezielle Motor und die spezielle Anwendung des Motors für das Erreichen der Ziele der Erfindung nicht kritisch sind. Tatsächlich kann das erfindungsgemäße EGR-System 10 bei einer Vielzahl von Motortypen und -größen und Anwendungen verwen det werden, wie beispielsweise bei Kfzs, Lkws, in der Schifffahrt und bei der Energieerzeugung, um lediglich einige wenige zu nennen.
Im wesentlichen umfaßt das EGR-System eine EGR-Ventilanordnung 14, eine Katalysatoranordnung 16, eine Wärmetauscheranordnung 18 und eine Filteranordnung 20. Das EGR-System 10 umfaßt auch ein Ventilsteuerungssystem 22 zum Steuern des Betriebs der EGR-Ventilanordnung 14 und kann optional ein intermittierendes Wasserinjektionssystem 30 zum periodischen Reinigen der Wärmetauscheranordnung 18, um einen maximalen thermischen Wirkungsgrad beizubehalten, umfassen.
Die EGR-Ventilanordnung 14 kann ein herkömmliches EGR-Ventil 42, wie beispielsweise ein Tellerventil, mit einem Einlaßende 38 und einem Auslaßende 40 umfassen. Das Einlaßende 38 des Tellerventils 42 ist an das Abgasrohr 24 angeschlossen, während das Auslaßende 40 mit dem Einlaßende 44 der Katalysatoranordnung 16 verbunden ist. Das Tellerventil 42 ist so aufgebaut, daß es in Reaktion auf ein Ventilsteuerungssignal 46, das vom Ventilsteuerungssystem 22 erzeugt wird, geöffnet und geschlossen werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die EGR-Ventilanordnung 14 ein EGR-Ventilmodell Nr. 7.21999.00.0, das von der Pierburg GmbH aus Neuss, Deutschland, erhältlich ist. Alternativ kann die EGR-Ventilanordnung 14 jedes beliebige andere einer Vielzahl von kommerziell ohne weitere erhältlichen EGR-Ventilen umfassen.
Das Ventilsteuerungssystem 22 kann abhängig vom speziellen gewählten EGR-Ventil 42 sowie vom speziellen Motor 12 jede einer Vielzahl von Formen aufweisen. Falls das EGR-Ventil 42 beispielsweise ein hydraulisch betätigtes Ventil aufweist, sollte das Ventilsteuerungssystem 22 ein hydraulisches Stellgliedsystem umfassen, das zur Betätigung des hydraulischen Systems 42 geeignet ist. Ähnlich sollte das Ventilsteuerungssystem 22 ein geeignetes zur Betätigung des Ventils geeignetes pneumatisches Signal liefern, wenn das EGR-Ventil 42 ein pneumatisch betätigtes Ventil umfaßt. Auf jeden Fall sollte das Ventilsteuerungssystem 22 auf die Position der Drosselklappe des Motors reagieren, so daß die EGR-Ventilanordung 14 abhängig von der Position der Motordrosselklappe (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen werden kann. Alternativ könnte das Ventilsteuerungssystem mit anderen Motorsteuerungssystemen (wie beispielsweise einer Kraftstoffsteuerungseinheit (nicht gezeigt) oder einem elektronischen Motorcontroller (nicht gezeigt)) verbunden sein und für eine Reaktion entweder auf die Position der Drosselklappe, den Verteilerdruck, die Motorgeschwindigkeit oder jeden beliebigen anderen Parameter oder Kombination von Parametern, die herkömmlicherweise zur Bestimmung von geeigneten Öffnungspunkten für EGR-Ventile verwendet werden, eingerichtet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuerungssystem 22 mit dem dem Ansaugrohr 26 zugeordneten Drosselklappenkörper 28 verbunden und so aufgebaut bzw. „programmiert", daß es die EGR-Ventilanordnung 14 öffnet, wenn der Motor bei und oberhalb ungefähr der halben Drosselung (d.h. 50%) betrieben wird. Man beachte jedoch, daß die exakte Drosselungsposition, bei der das Ventilsteuerungssystem die EGR-Ventilanordnung öffnet, nicht kritisch ist. Tatsächlich kann es aufgrund des speziellen Motors, Einrichtung und/oder Emissionsanforderungen erforderlich sein, daß das Ventilsteuerungssystem 22 so konstruiert oder programmiert ist, daß die EGR-Ventilanordnung 14 bei anderen Drosselwinkeln als 50% geöffnet wird. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf irgendeine spezielle Vorgabe von bestimmten EGR-Ventil-/Drosselklappenpositionen beschränkt angesehen werden.
Beispielsweise umfaßt das bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendete Ventilsteuerungssystem 22 ein Ventilsteuerungssystem Modell Nr. M71-100, das von Paas Technologies, Inc., aus Louisville, CO 80027, erhältlich ist. Irgendeine beliebige andere einer Vielzahl von Ventilsteuerungsvorrichtungen und -Systemen könnte ebenso verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, wird bevorzugt, obwohl dies nicht erforderlich ist, daß die EGR-Anordnung 10 eine Katalysatoranordnung 16 umfaßt, um die rückzuführenden Abgase zu katalysieren. Der mit dem Gebrauch einer Katalysatoranordnung 16 verbundene Hauptvorteil besteht darin, daß das darin enthaltene Katalysatorbett (nicht gezeigt), die Menge der im zurückgeführten Abgas enthaltenen Feststoffe bis zum einem gewissen Umfang reduziert. Die Katalysatoranordnung 16 reduziert des weiteren die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas.
Im wesentlichen kann die Katalysatoranordnung 16 jede eine Vielzahl von herkömmlich bei Dieselmotoren verwendeten Katalysatoranordnungen umfassen, deren Auswahl für den Durchschnittsfachmann abhängig von dem speziellen Motor und/oder der Anwendung offensichtlich ist. Beispielsweise kann eine derartige Katalysatoranordnung ein im allgemeinen zylindrisch geformtes äußeres Gehäuse 48 mit einem Einlaßende 44 und einem Auslaßende 50 aufweisen. Das Einlaßende 44 ist an das Auslaßende 40 der Ventilanordnung 14 ange schlossen, während das Auslaßende 50 mit dem Einlaßende 52 der Wärmetauschanordnung 18 verbunden ist. Das äußere Gehäuse 48 ist dazu eingerichtet, ein Katalysatorbett (nicht gezeigt) aufzunehmen, das ein Katalysatormaterial wie beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium, etc. enthält, das zum Katalysieren der Abgase vom Motor 12 geeignet ist. Beispielsweise wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eine von Syncat aus Louisville als Modell Nr. S08 erhältliche Katalysatoranordnung bevorzugt.
Die Einzelheiten der Wärmetauschanordnung 18 sind am besten in 2 zu sehen. Im wesentlichen umfaßt die Wärmetauschanordnung 18 ein Gehäuse 54 mit einem Einlaßende 52 und einem Auslaßende 56. Das Gehäuse 54 ist zur Aufnahme mehrerer Kühlrohre 58 eingerichtet, die zwischen einem Paar von Querwänden 60, 62 montiert sind. Die Querwände 60, 62 und das Gehäuse 54 definieren eine Wasserkammer 64. Durch Pfeile 66 bezeichnetes Kühlwasser tritt durch einen Wassereinlaß 68 in die Kammer 64 ein und verläßt die Kammer 64 durch einen Auslaß 70. Das Kühlwasser kann mittels eines externen Kühlers 72 gekühlt und mittels einer Kühlpumpe 74, wie am besten in 1 zu sehen ist, zirkuliert werden. Der externe Kühler 72 und die Pumpe 74 können getrennte Komponenten umfassen oder können den Motorkühlmittelkühler und die Motorwasserpumpe (nicht gezeigt) umfassen, wie für den Durchschnittsfachmann verständlich ist.
Beim Betrieb treten die heißen katalysierten Abgase 76 vom Einlaßboden 78 durch die Kühlrohre 58, in welchen sie gekühlt werden, hindurch und in das Auslaßende 56 als gekühlte Abgase 80 ein. Die Wärmekapazität der Wärmetauschanordnung 18 sollte selbstverständlich an das Volumen der zurückzuführenden Abgase sowie an die maximal zulässige Temperatur der in die Filteranordnung 20 eintretenden gekühlten Abgase 80 angepaßt sein. Wie oben beschrieben wurde, umfaßt der Wärmetauscher 18 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine ausreichende Kapazität zur Kühlung der heißen katalysierten Abgase 76 von Temperaturen im Bereich von ungefähr 1200°F bis 1500°F auf Temperaturen, die vorzugsweise ungefähr 300°F nicht übersteigen.
Es ist bevorzugt, jedoch nicht erforderlich, daß die Wärmetauschanordnung 18 ein intermittierendes Wasserinjektionssystem 30 zum periodischen Entfernen des angesammelten Rußes (nicht gezeigt) von den inneren Oberflächen der Kühlrohre 58 umfaßt, um einen maximalen thermischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Wie oben beschreiben wurde, sammeln sich die in den Abgasen 34 vom Dieselmotor 12 enthaltenen Feststoffe tendenziell auf nahezu je der Oberfläche an, mit der sie in Kontakt kommen, einschließlich der inneren Oberflächen der Kühlrohre 58. Da eine übermäßige Rußansammlung den Wärmetransferwirkungsgrad (d.h. den thermischen Wirkungsgrad) des Wärmetauschers 18 stark beeinflussen kann, wird das intermittierende Wasserinjektionssystem 30 zur Bereitstellung eines Mittels zum periodischen Entfernen des angesammelten Rußes von den inneren Oberflächen der Kühlrohre 58 verwendet.
Im folgenden wird auf 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen. Das intermittierende Wasserinjektionssystem 30 kann ein Reservoir 90 zur Aufbewahrung eines Wasservorrats 92 umfassen. Eine zwischen dem Reservoir 90 und einer Einspritzdüse 96 (2) angeschlossene Pumpe 94 kann zum Einspritzen eines feinen Sprühnebels 98 aus Wasser 92 in den Einlaßboden 78 der Wärmetauschanordnung 18 verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pumpe 94 eine Kolbenpumpe mit geringem Hub umfassen, die mittels eines (nicht gezeigten) Griffs betätigt werden kann, um eine kleine Wassermenge (z.B. 1 oz.) durch die Düse 96 zu pumpen. Jedoch ist der spezielle Typ der verwendeten Pumpe nicht kritisch und es ist zu beachten, daß eine Vielzahl anderer Pumpentypen ebenso verwendet werden kann, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte die Pumpe 94 automatisch mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Betätigungssystems betätigt sein, das entweder manuell oder automatisch getriggert sein könnte.
Wie im nachfolgenden in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, verdampft der feine Sprühnebel 98 aus Wasser beim Kontakt mit den heißen katalysierten Abgasen 76 nahezu sofort zu Dampf (nicht gezeigt), der sich rasch ausdehnt, wodurch ein Druckimpuls erzeugt wird, der sich durch die Kühlrohre 58 bewegt und mit Gewalt den angesammelten Ruß von den inneren Oberflächen der verschiedenen Kühlrohre 58 entfernt und ausbläst. Der entfernte Ruß wird stromabwärts befördert, wo er von der Filteranordnung 20 aufgenommen wird.
Die Filteranordnung 20 ist in 3 zu erkennen und kann ein im allgemeinen zylindrisch geformtes Gehäuse 82 mit einem Einlaßende 84 und einem Auslaßende 86 aufweisen. Das Einlaßende 84 ist am Auslaßende 56 der Wärmetauschanordnung 18 befestigt, wogegen das Auslaßende 68 mittels eines geeigneten Rohres 87 am Ansaugrohr 26 befestigt ist. Siehe 1. Das Gehäuse 82 ist an einem Ende offen und ist dazu angepaßt, ein im allgemeinen zylindrisch geformtes Filterelement 32 aufzunehmen. Das offene Ende kann von einer Endplatte 88 abgedeckt sein. Wenn das Filterelement 32 verstopft ist, kann die Endplatte 88 ab genommen werden und der alte Filter aus dem Gehäuse 82 entnommen werden. Dann kann ein neues Filterelement an seine Stelle eingefügt werden und die Endplatte 88 wieder eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise ermöglicht der wassergekühlte Wärmetauscher 18 die Verwendung eines relativ kostengünstigen wegwerfbaren Filterelementes 32. Obwohl eine Vielzahl von kommerziell erhältlichen Filtern verwendet werden kann, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und abhängig von der maximalen erwarteten Temperatur der gekühlten Abgase 80 ein wegwerfbarer Papierfilter verwendet, der von Dry Systems Technologies aus Louisville, CO 80027 erhältlich ist.
Das EGR-System 10 kann so betrieben werden, daß ein Teil der Abgase 34 vom Motor 12 zum Ansaugrohr 26 zurückgeführt wird, wenn der Motor 12 unter Last und/oder bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird. Beispielsweise ist das Ventilsteuerungssystem 22 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so aufgebaut bzw. „programmiert", daß die Ventilanordnung 14 geöffnet wird, wenn der Motor 12 bei ungefähr der halben Drosselung betrieben wird. Wenn das Ventil 14 geöffnet ist, wird eine kleine Menge der im Abgasrohr 24 enthaltenen Abgase 34 abgezogen, um zum Ansaugrohr 26 zurückgeführt zu werden. Die Abgase 34 durchlaufen zuerst das Ventil 14 und die Katalysatoranordnung 16. Das im Gehäuse 48 der Katalysatoranordnung 16 enthaltene Katalysatorbett (nicht gezeigt) verbrennt bzw. oxidiert die Abgase 34 weiter, wodurch die darin mitgeführten Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Feststoffen reduziert werden. Das in der Katalysatoranordnung 16 enthaltene Katalysatorbett (nicht gezeigt) oxidiert auch Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂). Selbstverständlich wird durch die zusätzliche Oxidierung der Abgase 34, die durch die Katalysatoranordnung 16 geführt werden, zusätzliche Wärme freigesetzt und dadurch die Temperatur der katalysierten Abgase 76 erhöht.
Die heißen katalysierten Abgase 76 von der Katalysatoranordnung 16 treten als nächstes in den Einlaßboden 78 des Wärmetauschers 18 ein. Im folgenden mit Bezugnahme auf 2 werden die katalysierten Abgase 76 durch die verschiedenen Kühlrohre 58 im Wärmetauscher 18 geführt, worauf sie durch das durch die Wasserkammer 64 zirkulierende Wasser (dargestellt durch die Pfeile 66) gekühlt werden. Der Grad der mittels der Wärmetauschanordnung 18 erreichten Kühlung sollte ausreichend sein, daß die gekühlten und katalysierten, den Wärmetauscher 18 verlassenden Abgase 80 ausreichend kühl sind, um ein Entzünden des in der Filteranordnung 20 enthaltenen Filterelements 32 zu vermeiden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ein wegwerfbares Papierfilterelement 32 verwendet wird, sollte die Temperatur der gekühlten Abgase 80 ungefähr 300°F nicht übersteigen. Man beachte jedoch, daß die maximale Temperatur der gekühlten Abgase 80 abhängig von der für das Filterelement 32 tolerierbaren Maximaltemperatur höher oder niedriger als 300°F sein kann. Folglich sollten die gekühlten Abgase 80 nicht als auf eine bestimmte Temperatur oder einen bestimmten Temperaturbereich beschränkt betrachtet werden.
Im folgenden wird auf 3 Bezug genommen. Die gekühlten Abgase 80 von der Wärmetauschanordnung 18 treten in die Filteranordnung 20 ein, in der im wesentlichen die gesamten verbleibenden Feststoffe, die in den Abgasen 80 mitgeführt werden, entfernt werden. Insbesondere treten die gekühlten Abgase 80 in den zentralen Abschnitt 85 des Gehäuses 82 der Filteranordnung 20 ein, werden durch das Filterelement 32 geführt und treten durch den Auslaß 86 aus. Die gekühlten und gefilterten Abgase 83 werden dann über die Leitung 87 in das Ansaugrohr 26 gerichtet (1), woraufhin sie mit der hereinkommenden Ansaugluftmenge gemischt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es erstrebenswert, das Wasserinjektionssystem 30 zu verwenden, um die in der Wärmetauscheranordnung 18 enthaltenen Kühlrohre 58 periodisch zu reinigen. Der Reinigungsvorgang wird am besten ausgeführt, indem zuerst die Geschwindigkeit des Motors 12 bis in die Nähe der maximalen Nenndrehzahl erhöht wird, um eine hohe Abgasströmungsgeschwindigkeit durch das EGR-System 10 sicherzustellen. Der Techniker (nicht gezeigt) kann dann die Pumpe 94 betätigen, um einen kleinen Sprühnebel 98 aus Wasser 92 in den Einlaßboden 78 der Wärmetauscheranordnung 18 einzuspritzen. Das injizierte Wasser 92 verdampft näherungsweise sofort zu Dampf, der sich rasch ausdehnt und einen Druckimpuls erzeugt, der sich durch die Kühlrohre 58 ausbreitet. Durch den Druckimpuls wird der angesammelte Ruß von den inneren Oberflächen der Kühlrohre 58 gewaltsam entfernt und ausgeblasen. Der entfernte Ruß wird dann stromabwärts zur Filteranordnung 20 befördert, wo er durch das Filterelement 32 aufgefangen wird.
Abhängig von der Kapazität des Filterelements 32 kann es notwendig sein, das Element durch ein neues Element zu ersetzen, nachdem der Reinigungsprozeß durchgeführt wurde. Falls jedoch die Kapazität des Filterelements 32 relativ hoch ist, können mehrere Reinigungsvor gänge durchgeführt werden, bevor eine Notwendigkeit zum Wechsel des Filterelements 32 entsteht.
Eine weitere Ausführungsform 110 des erfindungsgemäßen EGR-Systems ist in 4 in der Form gezeigt, wie sie in Verbindung mit einem mit einem Turbolader 129 ausgestatteten Dieselmotor 112 verwendet werden könnte. Anders als bei der ersten Ausführungsform 10 umfaßt die zweite Ausführungsform 110 des EGR-Systems ein Paar von EGR-Ventilen 114, 115, die parallel angeschlossen sind. Jedes Ventil 114, 115 wird unabhängig durch das Ventilsteuerungssystem 122 gesteuert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Ventil 114 auf ungefähr die halbe Drosselung geöffnet, während das zweite Ventil 115 auf eine Drosselung von ungefähr 75% geöffnet wird. Die Doppelventilanordnung ist somit für eine erhöhte Abgasrückführung bei höheren Motorgeschwindigkeiten geeignet.
Im folgenden wird auf 4 Bezug genommen. Das Einlaßende 138, 139 der jeweils entsprechenden Ventilanordnung 114, 115 ist mit dem Abgasrohr 124 verbunden, während die jeweiligen Auslaßenden 140 und 141 mit dem Einlaßende 144 der Katalysatoranordnung 116 verbunden sind. Jede Ventilanordnung 114, 115 ist mit dem Ventilsteuerungssystem 122 verbunden und wird durch jeweilige Ventilsteuerungssignale 146, 147 unabhängig betätigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die jeweiligen Ventilanordnungen 114, 115 identisch sein und ein Tellerventil des bereits genannten Typs umfassen.
Das Ventilsteuerungssystem 122 ist ebenfalls an den Drosselkörper 128 angeschlossen und kann im wesentlichen identisch zum Ventilsteuerungssystem 22 für die erste, in 4 gezeigte, Ausführungsform 10 sein, mit der Ausnahme, daß es so konstruiert sein sollte, daß zwei Ventilsteuerungssignale 146, 147 geliefert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuerungssystem 122 so konstruiert bzw. „programmiert", daß die erste Ventilanordnung 114 bei ungefähr halber Drosselung (d.h. 50%) und die zweite Ventilanordnung 115 bei einer Drosselung von ungefähr ¾ (d.h. 75%) geöffnet wird. Das Öffnen der zweiten Ventilanordnung 115 ermöglicht somit das Zurückführen von zusätzlichem Abgas 134 bei einem Betrieb unter hoher Last und/oder bei hoher Geschwindigkeit.
Die Verwendung von zwei parallel angeschlossenen EGR-Ventilen (z.B. 114, 115) bietet ein komfortables Mittel zur Erhöhung der bei großen Drosselklappenöffnungen zurückgeführten Menge an Abgas, was bei bestimmten Anwendungen oder für bestimmte Motore wünschens wert sein kann. Jedoch ist die Verwendung zweier Ventile nicht erforderlich und die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die Anordnung mit parallelen. Ventilen beschränkt betrachtet werden. Tatsächlich kann es für bestimmte Motore, Anwendungen oder gewünschte Emissionsspezifikationen erstrebenswert sein, lediglich ein einzelnes EGR-Ventil (z.B. 14), wie in 1 gezeigt ist, zu verwenden. Weiterhin mit Bezugnahme auf 4 kann das EGR-System 110 eine optionale, mit den Auslaßenden 140, 141 der jeweiligen Ventilanordnungen 114, 115 verbundene Katalysatoranordnung 16 umfassen, um die Menge der in dem zurückgeführten Abgas enthaltenen Feststoffe zu reduzieren. Die Katalysatoranordnung 116 kann identisch zur bei der ersten Ausführungsform 10 verwendeten Katalysatoranordnung 16 sein, wobei jedoch beachtet werden sollte, daß eine etwas größere Kapazität benötigt werden könnte, um den erhöhten Abgasstrom, der aus der Verwendung der parallelen Ventilanordnungen 114, 115 resultiert, aufzunehmen.
Wie im Fall der ersten Ausführungsform 10 umfaßt auch die zweite Ausführungsform 110 einen Wärmetauscher 118 und eine Filteranordnung 120, die an jeweiligen Orten stromabwärts der Katalysatoranordnung 116 angeschlossen sind. Auch hier können die Wärmetauscheranordnung 118 und die Filteranordnung 120 mit dem Wärmetauscher 18 und der Filteranordnung 20, die bezüglich der ersten Ausführungsform 10 beschrieben wurden, identisch sein. Natürlich kann es notwendig oder erstrebenswert sein, die Kapazitäten dieser jeweiligen Komponenten zu erhöhen, um den aus der parallelen Ventilanordnung resultierenden erhöhten Abgasstrom aufzunehmen. Der Auslaß 186 der Filteranordnung 120 ist mit dem Einlaßsystem mittels eines geeigneten Schlauchs oder Rohres 187 vorzugsweise an einem Punkt stromaufwärts des Kompressorabschnitts 127 der Turboladeranordnung 129 verbunden.
Die Wärmetauscheranordnung 118 kann mittels einer Kühlwasserversorgung (nicht gezeigt), die mittels einer geeigneten Pumpanordnung 174 durch einen Kühler 172 zirkuliert wird, gekühlt werden. Alternativ können jedoch auch andere Typen von Kühlsystemen verwendet werden, wie für den Durchschnittsfachmann verständlich ist. Die Wärmetauscheranordnung 118 kann auch ein intermittierendes Wasserinjektionssystem 130 zum periodischen Reinigen des angesammelten Rußes von den inneren Oberflächen der Wärmetauscheranordnung 118 in der bereits beschriebenen Weise umfassen.
Die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform 110 des erfindungsgemäßen EGR-Systems ist im wesentlichen identisch zu der der ersten Ausführungsform 10. Jedoch wird durch das Ventilsteuerungssystem zusätzlich zum Öffnen des ersten Ventils 114 bei einer Drosselung von ungefähr 50% das zweite Ventil 115 geöffnet, wenn die Drosselklappe auf ungefähr 75% geöffnet ist, wodurch die Menge des zum Einlaßrohr 126 zurückgeführten Abgases erhöht wird. Wie bereits oben erwähnt wurde, können die speziellen Öffnungspunkte der Ventilanordnungen 114, 115 abhängig von der speziellen Maschine, Einrichtung und von den Emissionsspezifikationen verschieden sein. Daher sollte die vorliegende Erfindung als nicht auf die hier beschriebenen speziellen Ventilöffnungspunkte beschränkt betrachtet werden.
Eine dritte Ausführungsform 210 des erfindungsgemäßen EGR-Systems ist in 5 gezeigt, wie sie in einem Motor 212 verwendet werden könnte, der mit einem Abgasbehandlungssystem des im US-Patent 5,272,874 des Anmelders, das sich in Gemeinschaftsbesitz befindet und gesamtumfänglich durch Bezugnahme speziell miteinbezogen wird, offenbarten Typs ausgestattet ist. Im wesentlichen umfaßt das in diesem Patent offenbarte Abgasbehandlungssystem eine relativ große Wärmetauscheranordnung 218 mit einer ausreichenden Kapazität, um die gesamten vom Motor 212 erzeugten Abgase zu kühlen. Auf ähnliche Weise ist eine Filteranordnung 220 mit hoher Kapazität an die Wärmetauscheranordnung 218 angeschlossen und umfaßt ein (in 5 nicht gezeigtes) Filterelement mit einer ausreichenden Kapazität, so daß der gesamte Abgasstrom vom Motor 212 behandelt werden kann. Das in der Filteranordnung 220 verwendete Filterelement kann vom im zuvor genannten US-Patent 5,272,874 offenbarten Typ sein. Alternativ kann die Filteranordnung von dem im US-Patent 5,431,706 des Anmelders offenbarten Typ sein, das sich ebenfalls in Gemeinschaftsbesitz befindet und gesamtumfänglich durch Bezugnahme hierin speziell miteinbezogen wird.
Die dritte Ausführungsform des EGR-Systems 210 kann eine einzelne EGR-Ventilanordnung 214 umfassen, die an die Filteranordnung 220 angeschlossen ist, so daß eine Menge des gekühlten, gefilterten Abgases 283 zum Einlaßrohr 226 über die Leitung 287 zurückgeführt werden kann. Alternativ kann ein Paar von parallel angeschlossenen EGR-Ventilen in der bereits für die zweite Ausführungsform 110 beschriebenen Weise verwendet werden, wie in 4 gezeigt ist. In jedem Fall kann die EGR-Ventilanordnung 214 jedes einer Vielzahl von kommerziell ohne weiteres erhältlichen EGR-Ventilen umfassen, die eine ausreichende Kapazität aufweisen, um die aufgrund des speziellen Motors oder der Einrichtung erforderliche Abgasmenge zurückzuführen und um die gewünschten Emissionsspezifikationen zu erfüllen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die EGR-Ventilanordnung 214 eine von der Pierburg GmbH aus Neuss, Deutschland, hergestellte Tellerventilanordnung umfassen, die als Modell 7.21999.00.0 bezeichnet ist.
Das Ventilsteuerungssystem 222 kann im wesentlichen identisch zu den oben für die anderen Ausführungsformen beschriebenen und gezeigten Ventilsteuerungssystemen 22 und 122 sein. Das bedeutet, daß das Ventilsteuerungssystem 222 an die Drosselklappenkörperanordnung 228 angeschlossen sein oder dieser zugeordnet sein sollte, so daß es ein zum Öffnen der EGR-Ventilanordnung 214 geeignetes Ventilstellsignal 246 erzeugen kann, wenn die Drosselklappe mit dem gewünschten Betrag geöffnet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuerungssystem 222 so programmiert, daß die EGR-Ventilanordnung 214 bei ungefähr der halben Drosselung (d.h. 50%) geöffnet wird, obwohl auch andere Drosselwinkel verwendet werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Wärmetauscheranordnung 218 ist ähnlich zu den oben gezeigten und beschriebenen Wärmetauschern 18 und 118 mit der Ausnahme, daß die Wärmetauscheranordnung 218 beträchtlich größer ist, da sie die gesamten vom Motor 212 erzeugten Abgase behandeln muß. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform kann die Wärmetauscheranordnung 218 im wesentlichen identisch zur im US-Patent 5,272,874 gezeigten und beschriebenen Wärmetauscheranordnung sein. Wie im Fall der anderen Ausführungsformen, wird ein intermittierendes Wasserinjektionssystem 230 als ein Mittel zum periodischen Entfernen des angesammelten Rußes von den inneren Oberflächen der in der Wärmetauscheranordnung 218 enthaltenen Kühlrohre (z.B. 58, 2) verwendet. Das intermittierende Wasserinjektionssystem 230 kann im wesentlichen identisch zum oben gezeigten und beschriebenen Wasserinjektionssystem 30 sein und wird daher nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Das in 5 gezeigte und im US-Patent 5,272,874 offenbarte Abgasbehandlungssystem umfaßt auch mehrere (nicht gezeigte) Katalysatoranordnungen, die bei einer Ausführungsform in den verschiedenen Zweigen, wie z.B. 225, des Abgasrohres 224 angeordnet sind. Alternativ kann auch eine wassergekühlte Katalysatoranordnung des im US-Patent 5,488,826 des Anmelders gezeigten und beschriebenen Typs verwendet werden, daß sich in Gemeinschaftsbesitz befindet und hierin explizit durch Bezugnahme gesamtumfänglich einbezogen wird.
Die Betriebsweise der dritten Ausführungsform 210 des erfindungsgemäßen EGR-Systems ist im wesentlichen dieselbe wie bei den anderen Ausführungsformen. Das bedeutet, daß das Ventilsteuerungssystem 222 ein Ventilbetätigungssignal 246 erzeugt, wenn der Motor 212 bei oder oberhalb ungefähr der halben Drosselung betrieben wird. Wenn die Ventilanordnung 214 geöffnet ist, wird ein Teil des gekühlten, gefilterten Abgases 283 von der Filteranordnung 220 in das Einsaugrohr 226 über die Leitung 287 eingesaugt. Der Rest des gekühlten und gefilterten Abgases 283 tritt aus der Filteranordnung 220 in die umgebende Atmosphäre aus.
Damit wird die detaillierte Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen EGR-Systems abgeschlossen. Während eine Zahl spezieller Komponenten oben für die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben wurde, ist für den Durchschnittsfachmann einfach erkennbar, daß andere geeignete Komponenten oder Kombinationen von Komponenten jetzt und in der Zukunft verfügbar sein können, um vergleichbare Funktionen des hier beschriebenen Geräts zu erreichen. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung, die hier für eine Verwendung bei Dieselmotoren gezeigt und beschrieben wurde, genauso einfach an eine Verwendung bei jedem beliebigen anderen Typ eines Verbrennungsmotors angepaßt werden, bei dem es erstrebenswert wäre, NO_x-Emissionen durch Zurückführen eines Teils des Abgases in das Ansaugrohr zu reduzieren. Weitere Modifizierungen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann der Drosselwinkel, bei dem das EGR-Ventil durch das Ventilsteuerungssystem geöffnet wird, von den hier dargelegten Parametern abhängig vom speziellen Motor, Einrichtung und Emissionsspezifikationen variieren. Wie oben beschrieben wurde, kann das EGR-System bei gewöhnlichen Ansaugmotoren oder Turboladermotoren (die entweder mittels eines mechanisch betriebenen Turboladers oder mittels eines Abgas-getriebenen Turboladers Turbo-geladen sind) genauso verwendet werden, wie bei den bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendeten Motoren.
Zusammenfassend wird dann in Betracht gezogen, daß das hierin beschriebene erfinderische Konzept auf andere Weise realisiert werden kann und es wird beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche so interpretiert werden, daß sie alternative Ausführungsformen der Erfindung gemäß der Definition durch die Ansprüche mit Ausnahme der Einschränkung durch den Stand der Technik umfassen.

Claims

Abgasrückführungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12), wobei die Brennkraftmaschine (12) ein Ansaugrohr (26) und ein Abgasrohr (24) umfaßt, aufweisend: ein erstes Ventil (14) mit einem Einlassende (38) und einem Auslassende (40), wobei das Einlassende mit dem Abgasrohr (24) verbindbar ist; einen Wärmetauscher (18) mit einem Einlassende (52) und einem Auslassende (56), wobei das Einlassende (52) des Wärmetauschers (18) mit dem Auslassende (40) des ersten Ventils (14) verbunden ist; ein Filter (20) mit einem Einlassende (84) und einem Auslassende (86), wobei das Einlassende (84) des Filters (20) mit dem Auslassende (56) des Wärmetauschers (18) verbunden ist und das Auslassende (86) mit dem Ansaugrohr (26) des Motors (12) verbindbar ist; ein Ventilsteuerungssystem (22), das mit dem ersten Ventil (14) für ein wahlweises Öffnen und Schließen des ersten Ventils (14) verbunden ist, wobei abgekühlte und gefilterte Abgase in das Ansaugrohr (26) zurückgeführt werden, wenn das erste Ventil (14) geöffnet ist; und ein intermittierendes Wasserinjektionssystem (30), das in der Nähe des Einlassendes (52) des Wärmetauschers (18) zur Injektion einer vorbestimmten Wassermenge in die Abgase vom Motor (12) zu periodischen Zeitintervallen angeschlossen ist, wobei die vorbestimmte Wassermenge in Dampf zerstäubt wird und einen Druckpuls erzeugt, mit dem im Wärmetauscher (18) angesammelte Feststoffe entfernt werden.
Abgasrückführungssystem (10) nach Anspruch 1, das des weiteren einen Katalysator (16) umfaßt, der zwischen dem ersten Ventil (14) und dem Wärmetauscher (18) angeordnet ist.
Abgasrückführungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher (18) einen wassergekühlten Wärmetauscher (18) umfaßt.
Abgasrückführungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Filter (20) ein Filtergehäuse (82) und ein im Filtergehäuse (82) angeordnetes Filterelement (32) umfaßt.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des weiteren ein zweites Ventil (115) umfaßt, das parallel zum ersten Ventil (14, 114) angeschlossen ist, wobei das zweite Ventil (115) auch mit dem Ventilsteuerungssystem (22, 122) verbunden ist.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Ventil (115) unabhängig vom ersten Ventil (14, 114) betätigbar ist und das erste (14, 114) und das zweite Ventil (115) unabhängig vom jeweils anderen mit dem Ventilsteuerungssystem (22, 122) geöffnet und geschlossen werden können.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ventilsteuerungssystem (22, 122) auf Positionsänderungen eines dem Motor (12) zugeordneten Drosselventils (28, 128) reagiert und das Ventilsteuerungssystem (22, 122) das erste (14, 114) und zweite Ventil (115) in Reaktion auf die Position des Drosselventils (28, 128) öffnet und schließt.
Abgasrückführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das intermittierende Wasserinjektionssystem (30) umfaßt: ein Reservoir (90) zur Aufnahme eines zu injizierenden Wasservorrats (92); eine in der Nähe des Einlassendes (52) des Wärmetauschers (18) angeschlossene Injektionsvorrichtung (96); und eine Pumpe (94), die zwischen dem Reservoir (90) und der Injektionsvorrichtung (96) angeschlossen ist, wobei die Pumpe (94) zum Pumpen von Wasser (92) vom Reservoir (90) zur Injektionsvorrichtung (96) eingerichtet ist.
Verfahren zur Rückführung von in einer Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgasen, wobei die Brennkraftmaschine (12) ein Ansaugrohr (26) und ein Abgasrohr (24) umfaßt, aufweisend die Schritte: Absaugen lediglich einer rückzuführenden Abgasmenge vom Abgasrohr (24); Abkühlen der Abgase in einem Wärmetauscher (18); Filtern der Abgase (82) durch Leiten durch ein Filter (20); und Richten der Abgase (83) in das Ansaugrohr (26); Intermittierendes Injizieren einer vorbestimmten Wassermenge zu periodischen Zeitinterfallen in den Wärmetauscher (18), wobei die vorbestimmte Wassermenge zu Dampf zerstäubt wird und einen Druckpuls erzeugt, mit dem im Wärmetauscher (18) angesammelte Feststoffe entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abgase (82) vor einem Filtern auf eine Temperatur von ungefähr 300°F abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zurückzuführenden Abgase durch Leiten über einen Katalysator (16) oxidiert werden, bevor sie im Wärmetauscher (18) abgekühlt werden.