EP0775817B1 - Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0775817B1
EP0775817B1 EP96116740A EP96116740A EP0775817B1 EP 0775817 B1 EP0775817 B1 EP 0775817B1 EP 96116740 A EP96116740 A EP 96116740A EP 96116740 A EP96116740 A EP 96116740A EP 0775817 B1 EP0775817 B1 EP 0775817B1
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exhaust
exhaust gas
gas recirculation
gas
valve
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EP96116740A
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Dr. Nunzio D'alfonso
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Nutzfahrzeuge AG
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Publication date
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/72—Housings
    • F02M26/73—Housings with means for heating or cooling the EGR valve

Definitions

  • the invention relates to exhaust gas recirculation according to the preamble of Claim 1.
  • Such a device is not able to set a higher exhaust pressure in front of the exhaust valve, which in all Operating states of the internal combustion engine would be able to, the charge air pressure in the To overcome charge air pipe. Via the line parallel to the exhaust manifold so much exhaust gas that even with the exhaust valve closed, the charge air pressure is not always is exceeded.
  • an exhaust gas recirculation is known in which the exhaust gas recirculation line branches off from the exhaust pipes in front of the inlet of the exhaust gas turbine and via a Exhaust control valve opens into the charge air line.
  • the control device consists of a Throttle valve which can be actuated by an actuator and which is located at the outlet of the exhaust gas turbine is arranged. Since such exhaust gas recirculation combines all exhaust pipes the back pressure caused by the throttle valve is one in all cylinders multi-cylinder internal combustion engine effective, which of course with a reduction the shaft power of the internal combustion engine is connected.
  • the object of the invention is sufficient in supercharged internal combustion engines Exhaust gas recirculation on the high pressure side in the entire map of the internal combustion engine to enable, with minimal influence on the gas exchange work in areas where the charge air pressure would otherwise exceed the exhaust gas pressure.
  • throttle and adjustable exhaust valve allows the Set the exhaust gas back pressure in front of the control device in all operating states that the exhaust gas flow to be set flows in the direction of the charge air system when exhaust gas recirculation it is asked for.
  • Claim 3 provides a development of the control device for optimal exhaust gas recirculation with minimal extension work.
  • Exhaust back pressure can be limited to the minimum number of cylinders, which is sufficient Exhaust gas recirculation rate ensures that the increase in gas exchange work through the higher back pressure remains limited to a small number of cylinders.
  • Figure 1 shows a circuit diagram of a pressure-side exhaust gas recirculation of a supercharged Internal combustion engine.
  • the example shows a six-cylinder internal combustion engine 1 with a turbocharger 2, consisting of turbine 3 and compressor 4.
  • the charge air can be recooled by a charge air cooler 5 and fed to a charge air pipe 6 will.
  • parts of the exhaust gas can be obtained by varying the Throttling effect of the control device 7 via an exhaust gas recirculation line 8 and an exhaust gas control valve 9 are returned to the charge air tube 6.
  • An exhaust gas cooler 10 can be connected upstream or downstream of the exhaust gas control valve 9.
  • the control device 7 consists of a line 12a with a throttle point 11 and an exhaust gas valve 12 connected in parallel thereto, which by a Actuator 13a is adjustable.
  • a line 12a with a throttle point 11 and an exhaust gas valve 12 connected in parallel thereto which by a Actuator 13a is adjustable.
  • the control device 7 with a Throttle point 11 and an exhaust gas control valve 12 and actuator connected in parallel therewith 13a is between the exhaust manifold 15 and exhaust gas bine 5 switched on.
  • a flap valve 7a can be arranged in the exhaust gas recirculation line 8. In order to is also with fully opened exhaust valve 12 in areas of high exhaust pressure pulsation reached a certain exhaust gas recirculation.
  • the control device 7 can be arranged downstream of the cylinder 14c (FIG. 2) and thus all 3 cylinders 14a, 14b, 14c of an exhaust gas flood for the generation of the Use exhaust back pressure and the exhaust gas flow to be recirculated.
  • exhaust gas If exhaust gas is now to be recirculated in a specific engine map, it can the flow through the exhaust valve 12 by means of fine adjustment by means of actuator 13a Compared to the throttle point 11 so that in front of the control device 7 builds up a defined exhaust gas pressure, which the charge air pressure in the charge air pipe 6 exceeds.
  • the amount of the exhaust gas recirculated via the exhaust gas line 8 can be determined by the position of the exhaust valve 12 can be adjusted.
  • the throttle point 11 is too dimension that with exhaust valve 12 closed in the area of the engine map, where the positive purge gradient is greatest, there is a sufficient exhaust gas recirculation rate sets the exhaust valve in the other areas of the engine map 12 is opened so far that the necessary exhaust gas recirculation rate is in each case the smallest possible exhaust gas back pressure upstream of the control device 7 sets, and that when the exhaust valve 12 is fully open in the areas of the engine map, where there should be no media exchange between the exhaust and air systems, the Exhaust gas control valve 9 is closed.
  • FIG. 4 An embodiment of the control device 7 is shown in Figures 4, 5. 4, the control device 7 is laterally together with the exhaust manifold 15 flanged to a cylinder head by means of screws 16a, 16b.
  • the housing 17 merges the exhaust valve 12 and the throttle point 11 and forms with the sections 15a, 15b of the exhaust manifold 15 is a structural unit.
  • the throttle point 11 connects the Sections 15a, 15b of the exhaust manifold 15, so that there is an overpressure in the exhaust space 19 can form, which through the exhaust valve connected in parallel to the throttle valve 11 12 can be regulated.
  • the exhaust valve 12 is controlled by an actuator 13a (Fig. 1) regulated.
  • a section V - V is shown in FIG. 5.
  • the housing 17 is connected to the section 15a Cylinder head, for example 14a (Fig. 1) flanged.
  • the exhaust gas space 19 is on the one hand via the throttle point 11 and on the other hand via the exhaust valve 12 with the section 15b of the exhaust manifold 15 (Fig. 4) connected.
  • the exhaust gas to be recycled passes through the flue gas recirculation line 8 flanged to the housing 17 1 apparent air manifold 6th

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus US-PS 4 249 382 ist eine Abgasrückführung für aufgeladene Brennkraftmaschinen bekannt, bei der nur ein Teil der Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine über ein Abgassammelrohr stromaufwärts einer Regeleinrichtung, sowie eine Abgasrückführleitung, einen Abgaskühler und ein Abgasregelventil mit einem Ladeluftrohr zum Zwecke der Abgasrückführung kommuniziert. Zur Regelung der Abgasrückführrate besteht die Regeleinrichtung aus einem von einem Stellglied betätigbaren Abgasventil und einer Leitung, welche den Rest der Abgase aufnimmt, welche nicht über das Abgassammelrohr fließen. Eine derartige Vorrichtung ist nicht in der Lage vor dem Abgasventil einen höheren Abgasdruck einzustellen, der in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine in der Lage wäre, den Ladeluftdruck im Ladeluftrohr zu überwinden. Über die zum Abgassammelrohr parallele Leitung fließt soviel Abgas, daß selbst bei geschlossenem Abgasventil nicht immer der Ladeluftdruck überschritten wird.
Aus DE 32 37 337 A1 ist eine Abgasrückführung bekannt, in der die Abgasrückführleitung vor dem Eingang der Abgasturbine von den Abgasrohren abzweigt und über ein Abgasregelventil in die Ladeluftleitung mündet. Die Regeleinrichtung besteht aus einer von einem Stellglied betätigbaren Drosselklappe, welche am Ausgang der Abgasturbine angeordnet ist. Da eine derartige Abgasrückführung alle Abgasrohre zusammenfaßt wird der durch die Drosselklappe verursachte Staudruck in allen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine wirksam, was selbstverständlich mit einer Verminderung der Wellenleistung der Brennkraftmaschine verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen eine ausreichende Abgasrückführung auf der Hochdruckseite im ganzen Kennfeld der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, mit minimaler Beeinflussung der Gaswechselarbeit in den Bereichen, in denen sonst der Ladeluftdruck den Abgasdruck übersteigt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch das Zusammenspiel von Drosselstelle und regelbarem Abgasventil läßt sich der Abgasgegendruck vor der Regeleinrichtung in allen Betriebszuständen so einstellen, daß der einzustellende Abgasdurchsatz in Richtung Ladeluftsystem strömt, wenn Abgasrückführung gewünscht wird.
In den Kennfeldbereichen wo der Abgasgegendruck den Ladeluftdruck übersteigt, wird das Abgasventil geöffnet, wodurch sich die Ausschiebearbeit auf das Normalmaß reduziert. Durch die Zusammenfassung aller Elemente zu einer baulichen Einheit wird eine raumsparende und kostengünstige Lösung erzielt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Anspruch 2 zu entnehmen. Durch Zusammenfassung zweier Zylinder kann die Rückführrate erhöht werden, ohne daß die Wellenleistung der Brennkraftmaschine zu sehr leidet.
Anspruch 3 stellt eine Weiterbildung der Regeleinrichtung zur optimalen Abgasrückführung bei minimaler Ausschiebearbeit dar.
In mehrzylindrigen Maschinen kann gemäß Anspruch 3 der dadurch entstehende höhere Abgasgegendruck auf die minimalste Zylinderzahl beschränkt werden, die eine ausreichende Abgasrückführrate sichert, so daß die Erhöhung der Gaswechselarbeit durch den höheren Gegendruck auf eine kleine Anzahl von Zylindern beschränkt bleibt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung kann ferner dem Patentanspruch 4 entnommen werden.
Ausführungsbeispiele für eine Abgasrückführung an einer aufgeladenen Brennkraftmaschine sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1
ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einer Regeleinrichtung zur druckseitigen Abgasrückführung.
Fig. 2
ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Abgasturboaufladung, wobei die Regeleinrichtung stromabwärts von Zylinder 14a angeordnet ist.
Fig. 3
ein Schaltschema einer Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Abgasturboaufladung, wobei die Regeleinrichtung stromabwärts der Zylinder 14a, 14b angeordnet ist.
Fig. 4
ein Beispiel einer konstruktiven Ausbildung der Einrichtung 7, die stromabwärts des Zylinders Nr. 6 angeordnet ist.
Fig. 5
einen Schnitt V-V durch die Einheit von Drossel und Abgasventil von Fig. 4.
Figur 1 stellt ein Schaltschema einer druckseitigen Abgasrückführung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dar. Das Beispiel zeigt eine sechszylindrige Brennkraftmaschine 1 mit einem Turbolader 2, bestehend aus Turbine 3 und Verdichter 4. Die Ladeluft kann durch einen Ladeluftkühler 5 rückgekühlt und einem Ladeluftrohr 6 zugeführt werden. Erfindungsgemäß können Teile des Abgases durch eine Variation der Drosselwirkung der Regeleinrichtung 7 über eine Abgasrückführleitung 8 und ein Abgasregelventil 9 ins Ladeluftrohr 6 zurückgeführt werden. Zur Kühlung des Abgases kann dem Abgasregelventil 9 ein Abgaskühler 10 vor- bzw. nachgeschaltet sein.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 7 besteht aus einerLeitung 12a mit Drosselstelle 11 und einem dazu parallel geschalteten Abgasventil 12, welches durch ein Stellglied 13a regelbar ist. Vor der Regeleinrichtung 7 zweigt von einem Abgassammelrohr 15 die Abgasrückführleitung 8 ab, welche über das Abgasregelventil 9 in den druckseitigen Bereich des Ladeluftrohres 6 mündet. Die Regeleinrichtung 7 mit einer Drosselstelle 11 und einem dazu parallel geschalteten Abgasregelventil 12 und Stellglied 13a ist zwischen dem Abgassammelrohr 15 und Abgastur bine 5 eingeschaltet. Auf dem Weg vom Abgassammelrohr 15 zum Ladeluftrohr 6 kann in der Abgasrückführleitung 8 ein Flatterventil 7a angeordnet werden. Damit wird auch bei voll geöffnetem Abgasventil 12 in Bereichen hoher Abgasdruckpulsation eine gewisse Abgasrückführung erreicht.
Damit die Verluste in der Gaswechselphase bei Erhöhung des von der Regeleinrichtung 7 erzeugten Auspuffgegendruckes zum Zwecke der Erstellung der gewünschten Abgasrückführrate minimal bleiben, soll bei mehrzylindrigen Maschinen die Anzahl n der vom erhöhten Gegendruck beaufschlagten Zylindern so klein wie möglich gehalten werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen den Fall einer 6-Zylinder-Reihenmaschine mit zweiflutiger Turboaufladung. Nach Fig. 2 wird nur ein Zylinder, und zwar der schwungradseitige Zylinder 14a der regelbaren Drosselwirkung der Regeleinrichtung 7 unterworfen. Trotz des pulsierenden Abgasdruckes stromaufwärts der Regeleinrichtung 7 ist bei dieser Zylinderzahl n = 1 eine für bestimmte NOx-Konzentrationen im Abgas ausreichende Abgasrückführrate einstellbar.
Eine Erhöhung der Abgasrückführrate ergibt sich nach Fig. 3 dadurch, daß die Zahl der Zylinder auf n = 2 erhöht wird. Der Regeleinrichtung 7 sind dann die Zylinder 14a und 14b vorgeschaltet.
Die Regeleinrichtung 7 kann bis stromabwärts des Zylinders 14c (Fig. 2) angeordnet werden und somit alle 3 Zylinder 14a, 14b, 14c einer Abgasflut für die Erzeugung des Abgasgegendruckes und des rückzuführenden Abgasstroms benutzen.
Soll nun in einem bestimmten Motorkennfeld Abgas zurückgeführt werden, so kann durch Feinregulierung mittels Stellglied 13a der Durchfluß durch das Abgasventil 12 gegenüber der Drosselstelle 11 so eingestellt werden, daß sich vor der Regeleinrichtung 7 ein definierter Abgasdruck aufbaut, der den Ladeluftdruck im Ladeluftrohr 6 übersteigt. Die Menge des über die Abgasleitung 8 rückgeführten Abgases kann durch die Lage des Abgasventils 12 eingestellt werden. Ferner ist die Drosselstelle 11 so zu dimmensionieren, daß bei geschlossenem Abgasventil 12 in dem Bereich des Motorkennfeldes, wo das positive Spülgefälle am größten ist, sich eine ausreichende Abgasrückführrate einstellt, daß in den anderen Bereichen des Motorkennfeldes das Abgasventil 12 soweit geöffnet wird, daß sich die jeweils notwendige Abgasrückführrate bei jeweils kleinstmöglichem Abgasgegendruck stromaufwärts der Regeleinrichtung 7 einstellt, und daß bei voll geöffnetem Abgasventil 12 in den Bereichen des Motorkennfeldes, wo kein Medienaustausch zwischen Abgas- und Luftsystem stattfinden soll, das Abgasregelventil 9 geschlossen wird.
Ist bei voll geöffnetem Abgasventil 12 der Abgasgegendruck höher als der Ladedruck, regelt das Abgasregelventil 9 die Abgasrückführrate.
Soll kein Abgas zurückgeführt werden und kein Abgas- bzw. Ladeluftaustausch zwischen Abgaskrümmer und Ladeluftrohr stattfinden, so wird das Abgasregelventil 9 vollständig gesperrt. Somit strömt keine Druckluft vom Ladeluftrohr in den Auspuffkrümmer und keine Nachteile in der Gaswechselschleife sind zu verzeichnen. (Fig. 1)
Ein Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung 7 ist in den Figuren 4, 5 dargestellt. Nach Fig. 4 ist die Regeleinrichtung 7 seitlich zusammen mit dem Abgaskrümmer 15 mittels Schrauben 16a, 16b an einen Zylinderkopf angeflanscht. Das Gehäuse 17 vereinigt das Abgasventil 12 und die Drosselstelle 11 und bildet mit den Abschnitten 15a, 15b des Abgaskrümmers 15 eine bauliche Einheit. Die Drosselstelle 11 verbindet die Abschnitte 15a, 15b des Abgaskrümmers 15, so daß sich im Abgasraum 19 ein Überdruck ausbilden kann, welcher durch das zur Drosselstelle 11 parallel geschaltete Abgasventil 12 geregelt werden kann. Das Abgasventil 12 wird durch ein Stellglied 13a (Fig. 1) geregelt. Zur Kühlung des Abgasventils 12 ist es vorteilhaft, die Ventilführung 20 mit Kühlrippen 21 zu versehen.
Einen Schnitt V - V zeigt Fig. 5. Das Gehäuse 17 ist mittels des Abschnittes 15a an den Zylinderkopf, beispielsweise 14a ( Fig. 1 ) angeflanscht. Der Abgasraum 19 ist einerseits über die Drosselstelle 11 und andererseits über das Abgasventil 12 mit dem Abschnitt 15b des Abgaskrümmers 15 (Fig. 4 ) verbunden. Das rückzuführende Abgas gelangt über die an das Gehäuse 17 angeflanschte Abgasrückführleitung 8 in das aus Fig. 1 ersichtliche Luftsammelrohr 6.
Bei Motoren mit einflutiger Turboaufladung (Fig. 1) und bei mechanisch aufgeladenen Motoren ist die Anbringung der Vorrichtung 7 unmittelbar vor Eingang der Abgasturbine bzw. am Ausgang des Abgassammelrohrs möglich. Die Beaufschlagung sämtlicher Zylinder n mit erhöhtem Abgasgegendruck verursacht zwar größere Verluste in der Gaswechselphase bzw. ungünstigere Verhältnisse für die Turboaufladung, bietet jedoch Vorteile im gleichmäßigen und pulsationsarmen Abgasstrom in der Rückführleitung.

Claims (4)

  1. Abgasrückführung an aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei der das Abgas eines, oder mehrerer Zylinder einem Abgassammelröhr (15) stromaufwärts einer Regeleinrichtung (7) entnommen und über eine Abgasrückführleitung (8), sowie einen Abgaskühler (10) und ein Abgasregelventil (9) in ein Ladeluftrohr (6) rückgeführt wird, wobei die Regeleinrichtung (7) aus einem mittels Stellglied (13a) regelbaren Abgasventil (12) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (7) auch eine parallel zum Abgasventil (12) geschaltete Leitung (12a) aufweist, daß in die Leitung (12a) eine Drosselstelle (11) eingebaut ist, derart, daß die Drosselstelle (11) und das Abgasventil (12) in einem Gehäuse (17) zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, daß das Gehäuse (17) zwischen Rohrabschnitten (15a, 15b) in ein Abgassammelrohr (15) integriert ist, und daß ein Abgasraum (19), welcher zwischen den Abschnitten (15a, 15b) liegt, über eine Abgasrückführleitung ( 8) und ein Abgasregelventil (9) mit dem Ladeluftrohr (6) verbunden ist.
  2. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (7) bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen zwischen zwei benachbarten Zylindern (14a, 14b) angeordnet ist, wobei der äußere Zylinder (14a) der Schwungradseite der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
  3. Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei n-zylindrigen Maschinen die Regeleinrichtung (7) einer kleineren Anzahl von Zylindern als n nachgeschaltet ist.
  4. Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abgassammelrohr (15) und Ladeluftrohr (6) in der Abgasrückführleitung (8) ein Flatterventil (7a) angeordnet ist.
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