DE69824703T2 - Abgasrückführsystem mit einem turbolader mit integrierter pumpe und regelventil - Google Patents

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Description

  • Diese Patentanmeldung beansprucht den Vorzug des Anmeldetages der provisorischen Patentanmeldung 60/039,246 mit dem Titel "Exhaust Gas Recirculation System Employing A Turbocharger Incorporating An Integral Pump, A Control Valve And A Mixer", die am 3. März 1997 eingereicht wurde.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Abgasrückführung (EGR = Exhaust Gas Recirculation) von Verbrennungsmotoren zur Verbesserung der Emissionswerte. Insbesondere stellt die Erfindung ein Turboladerkompressorrad bereit, bei dem auf einer dem Kompressorschaufelrad gegenüberliegenden Seite Laufradschaufeln befestigt sind, um als eine Abgasrückführungspumpe zu wirken, die für den von der Pumpe abgegebenen Abgasrückführstrom einen gesonderten Diffusor und Ausströmraum sowie einen gesonderten spiralförmigen Einlass in die Abgasrückführungspumpe aufweist; ein Steuer-/Regelventil, das dazu dient, um das zurückzuführende Abgas zuzudosieren und einen Mischer, der dazu dient, das rückgeführte Abgas in der dem Motor zugeführten Ladeluft mitzuschleppen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Abgasrückführung stellt ein bekanntes Verfahren dar, um die NOX-Emissionen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Für einen wirkungsvollen Einsatz eines Abgasrückführungssystems muss dieses den entgegengesetzt wirkenden Druckgradienten überwinden, der durch einen über den Motor verlaufenden, positiven Druckgradienten erzeugt wird, wie er zumindest für einen Teil des Betriebsbereichs von modernen Hochleistungsdieselmotoren typisch ist. Verschiedene Ansätze zur Durchführung der Abgasrückführung haben das Pumpen eines Teils des Abgases des Auslasskrümmers in den Ansaugkrümmer miteingeschlossen. Das Pumpen wurde durchgeführt, indem das Abgas dem Verdichtungseinlass eines an dem Motor vorhandenen, herkömmlichen Turboladers oder Aufladegeräts zugeführt wurde, oder alternativ, indem ein separater Kompressor vorgesehen wurde, der das Abgas entgegennahm und es auf einen geeigneten Druck verdichtete, um es stromabwärts des an dem Motor vorhandenen Ladeluftaufladesystems in die Ladeluft einzubringen. Im Allgemeinen bringen diese Systeme eine gewisse Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs mit sich.
  • Die Abgasrückführung erfordert ferner ein adäquates Mischen des rückgeführten Abgases mit der einströmenden Frischluftladung, um eine Minderung der Leistung zu vermeiden und Verluste, die auf das Mischen zurückzuführen sind, zu minimieren, um eine zusätzliche Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zu vermeiden. Darüber hinaus ist eine positive Kontrolle des rückgeführten Abgasstroms erforderlich, um die korrekten Anteile in dem Ladeluftgemisch zu gewährleisten, das dem Ansaugkrümmer des Motors unter wechselnden Betriebsbedingungen zugeführt wird. Außerdem müssen sich die Komponenten und Merkmale eines Abgasrückführungssystems innerhalb der Beschränkungen eines in modernen Motorräumen nur begrenzt zur Verfügung stehenden Volumens unterbringen lassen.
  • Die US-Patentanmeldung Nr. 5,406,796 veranschaulicht einen Ansatz zur Abgasrückführung mit einem integral in dem Turbolader ausgebildeten Pumpensystem, welches das Abgas aus dem Kompressor unmittelbar dem Ladeluftausströmraum zuführt.
  • Es ist daher erwünscht, ein in hohem Maße integriertes Abgasrückführungssystem bereitzustellen, das Pumpkomponenten für die Rückführung von Abgas in einem engen physikalischen und funktionalen Zusammenwirken mit Komponenten eines bestehenden Motorsystems, beispielsweise Turboladern, verwendet. Es ist weiterhin erwünscht, einen Strömungspfad für die Abgasrückführung zu konfigurieren und neue Regelungs-/Steuerungskomponenten bereitzustellen, um die erforderliche Regelung/Steuerung der Strömungsraten des Abgases und das Mischen in die dem Motor zum Ansaugen zugeführte Ladeluft zu ermöglichen, um den von Zylinder zu Zylinder vorhandenen Unterschied im Prozentsatz des Abgases zu minimieren.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Erfindung wird ein Abgasrückführungssystem (EGR) für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader bereitgestellt, der eine integrale Abgasrückführungspumpe verwendet, umfassend: ein Turbinengehäuse mit einem Abgaseinlass und einem Turbinenauslass; eine Turbine, die durch Abgas angetrieben wird, das durch den Abgaseinlass aufgenommen wird, und die an eine drehbare Welle angeschlossen ist; ein Grundgehäuse, das eine Lageranordnung trägt, welche die drehbare Welle aufnimmt, wobei das Grundgehäuse Mittel umfasst, um mit dem Turbinengehäuse verbunden zu werden; ein Kompressorgehäuse mit einem Lufteinlass und einem Ladeluftauslass; ein Rotor, der an der drehbaren Welle befestigt ist, wobei der Rotor einen ersten Schaufelsatz enthält, der Luft durch den Einlass des Kompressorgehäuses entgegennimmt und komprimierte Luft in den Ladeluftauslass ausstößt, wobei der Rotor einen zweiten Schaufelsatz aufweist, der gegenüberliegend zu dem ersten Schaufelsatz integral an dem Rotor befestigt ist und Abgas aus einem Abgasrückführungseinlass empfängt, und komprimiertes Abgas durch einen Diffusor in einen Abgasauslass ausstößt, wobei der Abgasauslass und der Ladeluftauslass getrennte Strömungspfade umfassen; Mittel, um die Strömungspfade an dem Rotorumfang zu entmischen, um die Strömungspfade des Abgases und der Ladeluft zu trennen; Mittel, um den Abgasauslass an einem Mischer anzubringen; und Mittel, um den Ladeluftauslass an dem Mischer anzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer von dem Turbolader getrennt ist und das Abgas und die Ladeluft unmittelbar von den entmischten Strömungspfaden empfängt.
  • Ein Leitblech kann dafür eingesetzt werden, um die Strömungspfade an dem Rotorumfang zu entmischen, um die Strömungspfade des Abgases und der Ladeluft zu trennen.
  • Der Mischer ist stromabwärts des Turboladers angeordnet und nimmt das Abgas und die Ladeluft entgegen und gibt das Mischladung über einen Auslass weiter, der mit dem Ansaugkrümmer des Motors verbunden ist. Ein Regelventil kann zwischen dem Auslasskrümmer des Motors und dem Abgasrückführungseinlass vorgesehen sein, um die Menge des Abgases zu regeln, das zu dem zweiten Schaufelsatz in dem Turbolader zurückgeführt wird. Geeignete Leitungen können den Abgasauslass mit dem Mischer und den Ladeluftauslass mit dem Mischer verbinden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden verständlicher anhand der ausführlichen Beschreibung und Zeichnungen:
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Motors und eines Abgasrückführungssystems, das die Kombination und die Komponenten der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 2 zeigt eine detaillierte Schnittansicht einer mit einem Turbolader integral ausgebildeten Abgasrückführungspumpe, die in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 3 zeigt eine detaillierte Schnittansicht eines Mischers für von der Abgasrückführungspumpe zurückgeführtes Abgas und frische Ladeluft vom Turboladerkompressor, der in der offenbarten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 4 zeigt eine detaillierte Schnittansicht eines Ventils, das in der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird und dazu dient, das rückzuführende Abgas zu regeln;
  • 5 zeigt ein Blockschaltbild der Funktionsweise und der Elemente des Ventils von 4; und
  • 6 zeigt eine detaillierte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Mischers von 3.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Zeichnungen zeigt 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Ansaugkrümmer 12 und einem Auslasskrümmer 14. Ein zur Verstärkung der Ladeluft vorgesehener Turbolader 16 nimmt Ansaugluft entgegen, um diese mittels eines Kompressorrotors 18 zu verdichten, der die unter Druck gesetzte Luft einem Ladeluftkühler 20 zuführt, bevor diese in den Ansaugkrümmer eingebracht wird. Der Kompressorrotor wird durch eine Welle 22 angetrieben, die mit einer Turbine 24 verbunden ist, die Abgas von dem Auslasskrümmer des Motors entgegennimmt.
  • Das für eine Rückführung bestimmte Abgas wird aus dem aus dem Auslasskrümmer strömenden Strom durch ein Regelventil 26 zu einem Abgasrückführungskühler 28 umgeleitet. Das Gas aus dem Abgasrückführungskühler wird dem Einlass einer Abgasrückführungspumpe zugeführt, die im Falle der in den Zeichnungsen gezeigten Ausführungsform ein Kompressorrotor 30 ist, der an der Turboladerwelle befestigt ist, die durch die Turbine angetrieben werden soll. Das unter Druck gesetzte Abgas aus der Abgasrückführungspumpe strömt in einen Mischer 32, der den rückgeführten Abgasstrom mit der Ladeluft vereinigt, um einen im Wesentlichen homogenen Strom zu erzeugen, der in den Ansaugkrümmer eingebracht wird.
  • 2 zeigt die Einzelheiten eines Turboladers, der einen integral ausgebildeten Abgasrückführungskompressor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Turbine ist in einem gegossenen Turbinengehäuse 34 untergebracht, das einen radialen Abgaseinlass 36 umfasst, der einen in der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform, verzweigten Ausströmraum 38 versorgt. Das durch die Turbine strömende Gas verlässt diese durch den Turbinenauslass 40. Eine Welle 22 wird durch ein Lagersystem getragen, das Radiallager 42, die durch einen Abstandshalter 44 getrennt sind, und einen Tragring 46 enthält, der ein Lager 48 aufweist, wobei sämtliche Komponenten innerhalb eines Grundgehäuses 50 getragen werden, das Schmierungskanäle 52 umfasst. Der Ladeluftkompressor ist in einem gegossenen Kompressorgehäuse 54 untergebracht, das für die unter Druck gesetzte Ladeluft einen Lufteinlass 56, einen Diffusor 58 und einen Ausströmraum 60 zur Verfügung stellt.
  • Die Abgasrückführungspumpe wird in den vorhandenen Rotorsatz des Turboladers integriert, indem die Rückseite des Kompressorrads mit Laufradschaufeln 62 versehen wird. Ein spiralförmiger Einlass 64 stellt Abgas zur Rückführung bereit und ein gesonderter Diffusor 66 führt das unter Druck gesetzte Abgas einem Ausströmraum 68 zu. Der Einlass der Abgasrückführungspumpe, der Diffusor und der Ausströmraum sind in einem Gussteil 70 integriert, das an die Stelle der herkömmlichen Trägerplatte des Kompressors des Turboladers tritt, wodurch sich die Gesamtlänge des Rotorsatzes und des Turboladers nur geringfügig erhöht. Die Entmischung des Ladeluftstroms in dem Kompressor und des rückgeführten Abgases in der Abgasrückführungspumpe erfolgt durch ein Leitblech 72, das zwischen dem Kompressorgehäuse und dem Gussteil der Abgasrückführungspumpe eingespannt ist. Das Leitblech steht über eine Stufendichtung oder eine Fliehkraftdichtung mit dem Rotorumfang in Eingriff. Alternative Ausführungsformen verwenden eine Spiraldichtung, um eine Druckdifferenz zu erzeugen, die den Abgasrückführstrom und den Ladeluftstrom in dem Turbolader trennt, um eine Verschmutzung der Komponenten des Ladeluftstroms, beispielsweise des stromabwärts des Turboladers angeordneten Ladeluftkühlers, zu vermeiden, der im folgenden eingehender beschrieben wird. Das Gussteil der Abgasrückführungspumpe ist an dem Kompressorgehäuse mittels eines Halterings 74 und Bolzen 76 befestigt, die von dem Kompressorgehäuse aufgenommen werden.
  • Das unter Druck gesetzte Abgas aus der Abgasrückführungspumpe und die komprimierte Ladeluft aus dem Kompressor des Turboladers und dem Ladeluftkühler werden in dem Mischer 32 vereinigt, der im Einzelnen in 3 dargestellt ist. Das Abgas aus der Pumpe wird in den Mischer über einen Einlass 78 in einen Ausströmraum 80 eingebracht, der um den Umfang des Haupt-Frischluftstrompfads angeordnet ist, der von dem Ladeluftkühler her durch den Einlass 82 eintritt. Der Ausströmraum bringt das Abgas gleichmäßig rund um den Umfang des Frischluftstrompfads durch einen Schlitz 84 ein, der eine entsprechend gestaltete, stromaufwärts angeordnete Lippe 86 mit einem relativ geringeren Durchmesser und eine stromabwärts angeordnete Lippe 88 mit einem relativ größeren Durchmesser aufweist, um einen dreidimensionalen Winkel für den Abgasrückführstrom zu bilden, der sowohl ein Eindringen in die Kernströmung als auch eine Verwirbelung fördert, um den Strom stromabwärts weiter zu mischen.
  • Die Innenwand 90 des Frischluftstromkanals ist so gestaltet, daß sie einen konvergierenden/divergierenden Düseneffekt bewirkt, der die Geschwindigkeit der Frischluftladung erhöht, den statischen Druck der Strömung senkt und das Mitschleppen des rückgeführten Abgases in die Frischluftladung fördert. Der gemischte Strom entweicht durch einen Auslass 92.
  • In 6 ist eine zweite Ausführungsform des Mischers dargestellt, der einen divergierenden Düsenabschnitt 91 umfasst, um das Mischen des rückgeführten Abgases mit der Frischluftladung weiter zu intensivieren und die Geschwindigkeitsanpassung des Stroms zu verstärken.
  • 1 zeigt den Mischer als eine gesonderte Komponente, die in der Nähe des Einlasses des Ansaugkrümmers angeordnet ist. Allerdings weicht die Anordnung des Mischers in den alternativen Ausführungsformen ab und der Mischer ist, falls ein Abgasrückführungskühler verwendet wird, nahe bei dem Auslass des Ladeluftkühlers angeordnet oder in diesem integriert oder als ein Gussteil oder ein spanabhebend bearbeiteter Abschnitt des Ansaugkrümmers des Motors ausgebildet. In Anwendungen, bei denen kein Abgasrückführungskühler verwendet wird, ist der Mischer nahe bei dem Auslass des Kompressorgehäuses oder dem Einlass des Ladeluftkühlers angeordnet oder als ein integraler Abschnitt dieser ausgebildet.
  • Das für die Rückführung bestimmte Abgas wird der Abgasrückführungspumpe über ein Regelventil 26 zugeführt. 4 und 5 beschreiben die mechanische Konfiguration und die Arbeitsweise einer Ausführungsform des Ventils. Ein proportionaler Elektromagnet 94 wirkt auf ein pneumatisches oder hydraulisches Dreiwegeventil 96, wobei eine Gegenkraft durch einen Kolben- oder eine Membran 97 bereitgestellt wird, auf das wiederum ein Differenzdruck wirkt, der durch die Strömung erzeugt wird, die durch ein gesondertes Abgasrückführungsventil 98 strömt. Der Differenzdruck wird durch die Kanäle 100 und 102 erfasst. Das Dreiwegeventil stellt einem Aktuator 106 des Abgasrückführungsventils Luft aus einer Leitung 104 zur Verfügung oder lässt die Aktuatorluft über die Entlüftungsöffnung 108 ab. Wenn sich die Kraft des Elektromagneten und die Kraft des Kolbens genau im Gleichgewicht befinden, existiert keine Strömung in Richtung des Aktuators des Abgasrückführungsventils oder von diesem weg. Wenn die Kraft des Kolbens nicht ausreicht, um die Kraft der Magnetspule auszugleichen, öffnet sich das Dreiwegeventil, um dem Aktuator Luft zuzuführen, der dementsprechend den Abgasrückführstrom erhöht, der aus der primären Abgasstromleitung 110 über das Abgasrückführungsventil in die Leitung 112 des Abgasrückführstroms strömt, und auf diese Weise den über das Ventil hinweg herrschenden Differenzdruck erhöht, wodurch das Gleichgewicht der Kräfte wiederhergestellt wird. Im Gegensatz hierzu öffnet sich das Dreiwegeventil, wenn die Kraft des Kolbens größer ist als die Kraft der Magnetspule, um die Luft aus dem Aktuator des Abgasrückführungsventils abzulassen, der dementsprechend den Abgasrückführstrom und den über das Ventil hinweg herrschenden Differenzdruck verringert, wodurch das Kräftegleichgewicht wiederum wiederhergestellt wird. Wie in 4 gezeigt, verwendet der Aktuator des Abgasrückführungsventils im Falle der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform eine Membran 114 und eine Feder 116, die in ein Druckgehäuse 118 eingeschlossen sind und eine Welle 120 positionieren, die dazu dient, einen Ventilteller 122 auf einem Sitz 124 zu regeln/steuern, um den Abgasrückführstrom zu dosieren. Das Dreiwegeventil weist einen mit mehreren Kanälen ausgebildeten Grundkörper 126 auf, der die zuführenden und abführenden Leitungen mit einer bewegbaren Öffnung 128 integriert, die auf einer Welle 130 getragen wird, die in Eingriff mit der Magnetspule und dem Kolben steht.
  • Eine Zentrierfeder 132 hält die entgegengesetzt wirkenden Kräfte der Magnetspule und des Druckkolbens im Gleichgewicht.
  • Nach dem Lesen der gemäß den patentrechtlichen Vorschriften ausgeführten, ausführlichen Beschreibung der Erfindung wird der Fachmann Abwandlungen und Substitutionen zu den hier offenbarten, speziellen Ausführungsformen erkennen. Solche Abwandlungen und Substitutionen fallen in den Schutzbereich und den beabsichtigten Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er gemäß den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (9)

  1. Abgasrückführungssystem (EGR) für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader, der eine integrale EGR-Pumpe verwendet, mit: einem Turbinengehäuse (34) mit einem Abgaseinlass (38) und einem Turbinenauslass (40); einer Turbine (24), die durch Abgas angetrieben wird, das durch den Abgaseinlass (38) aufgenommen wird, und die an eine drehbare Welle (22) angeschlossen ist; einem Grundgehäuse (50), das eine Lageranordnung (42, 44, 46, 48) trägt, die die drehbare Welle (22) aufnimmt, wobei das Grundgehäuse (50) Mittel umfasst, um mit dem Turbinengehäuse (34) verbunden zu werden; einem Kompressorgehäuse (54) mit einem Lufteinlass (56) und einem Ladeluftauslass (60); einem Kompressorrotor (18), der an der drehbaren Welle (22) befestigt ist, wobei der Rotor (18) einen ersten Schaufelsatz enthält, der Luft durch den Kompressorgehäuseeinlass (56) entgegennimmt und komprimierte Luft in den Ladeluftauslass (60) ausstößt; wobei der Rotor (18) einen zweiten Schaufelsatz (62) aufweist, der gegenüberliegend zu dem ersten Schaufelsatz integral an dem Rotor (18) befestigt ist und Abgas aus einem EGR-Einlass (64) empfängt, und komprimiertes Abgas durch einen Diffusor (66) in einen Abgasauslass (68) ausstößt, wobei der Abgasauslass (68) und der Ladeluftauslass (60) getrennte Strömungspfade umfassen; Mitteln, um die Strömungspfade an dem Rotorumfang zu entmischen, um die Strömungspfade des Abgases und der Ladeluft zu trennen; Mitteln, um den Abgasauslass (68) an einem Mischer (32) anzubringen; und Mitteln, um den Ladeluftauslass (60) an dem Mischer (32) anzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (32) von dem Turbolader getrennt ist und das Abgas und die Ladeluft unmittelbar von den entmischten Strömungspfaden empfängt.
  2. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der EGR-Einlass (64) und der Abgasauslass (68) als ein Gussteil (70) inkorporiert sind, das zwischen dem Kompressorgehäuse (54) und dem Turbinengehäuse (34) angebracht ist.
  3. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, bei dem das Gussteil (70) eine Trägerplatte (72) für den Kompressorrotor (18) inkorporiert und ferner Mittel aufweist, um das Gussteil (70) an dem Grundgehäuse (50) zu befestigen, und Mittel, um das Kompressorgehäuse (54) an dem Gussteil zu befestigen.
  4. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der unter Druck gesetzte Abgasauslass (68) einen Ausströmraum umfasst, der in einem Auslassanschluss endet.
  5. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der EGR-Einlass (64) ein Ausströmraum ist, der in einem im Wesentlichen zylindrischen Kanal endet.
  6. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Mittel zum Entmischen ein Leitblech (72) umfasst, das sich von dem Kompressorgehäuse (54) aus hin zu dem Rotorumfang erstreckt.
  7. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mischer (32) einen Auslass aufweist und das System ferner umfasst: ein Regelventil zwischen einem Auslasskrümmer und dem EGR-Einlass (64), um die Abgasmenge zu regeln, die zu dem zweiten Schaufelsatz in dem Turbolader zurückgeführt wird; und Mittel, um den Mischerauslass an einem Einlasskrümmer des Motors zu befestigen.
  8. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, das ferner zwischen dem Regelventil und dem EGR-Einlass (64) zu dem Turbolader einen EGR-Kühler umfasst.
  9. EGR-System für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 oder 8, das ferner zwischen dem Ladeluftauslass des Turboladers und des Mischers (32) einen Ladeluftkühler umfasst.
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