EP1825130A1 - Kondensatabscheider in einer turboladeranordnung und verfahren zum betrieben einer solchen anordnung - Google Patents

Kondensatabscheider in einer turboladeranordnung und verfahren zum betrieben einer solchen anordnung

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EP1825130A1
EP1825130A1 EP05812456A EP05812456A EP1825130A1 EP 1825130 A1 EP1825130 A1 EP 1825130A1 EP 05812456 A EP05812456 A EP 05812456A EP 05812456 A EP05812456 A EP 05812456A EP 1825130 A1 EP1825130 A1 EP 1825130A1
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EP
European Patent Office
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condensate
exhaust gas
arrangement according
charge air
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05812456A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Eitel
Gerhard FRÄNKLE
Peter Geskes
Rainer Lutz
Rolf Müller
Eberhard Pantow
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger arrangement and a method for operating a turbocharger according to the preamble of claim 1 or claim 19.
  • the return of exhaust gas is known, with both a high-pressure exhaust gas recirculation and a low-pressure exhaust gas recirculation is possible.
  • the exhaust gas stream is cooled to temperatures of about 15O 0 C to 200 0 C and admixed with the intake air.
  • the cooled intake air usually a partial flow of the engine coolant is used, but also the use of other coolant is known.
  • Exhaust gas recirculation is all the more effective the lower the gas outlet temperatures at the exhaust gas cooler are.
  • High-pressure exhaust gas recirculation In the case of high-pressure exhaust gas recirculation, exhaust gas is usually taken off in front of the turbine and the charge air is supplied to the charge air cooler. The cooling of the recirculated exhaust gas takes place by the hot engine coolant, so that due to the high temperatures usually no Exhaust gas condensate is formed. High-pressure exhaust gas recirculation achieves a significant reduction in nitrogen oxide emissions, but with a simultaneous increase in particulate emissions. The particle or particulate matter emission can be reduced by particle filters.
  • the exhaust gas is removed after the turbine, preferably after a particle filter, taken from the exhaust gas flow, cooled and fed to the compressor on the suction side. Due to the greater cooling of the recirculated exhaust gas, a further reduction of the nitrogen oxide emission is possible, however, forms due to the strong cooling of the recirculated exhaust gas condensate, which is sour starK, which essentially goes back to the formed nitric acid HNO 3 , so that it Corrosion comes. If condensate mist is fed to the compressor, it can also damage the compressor because of its high speed (about 120000 to 150000 rpm).
  • turbocharger arrangement and a method for operating a turbocharger, in which the risk of corrosion is as low as possible.
  • This object is achieved by a turbocharger arrangement and a method having the features of claim 1 and of claim 19.
  • Advantageous refinements are the subject of the claims.
  • the term "charge air” is understood to mean both the intake air and the intake air mixed with the recirculated exhaust gas.
  • a turbocharger arrangement in particular a motor vehicle with an internal combustion engine, is provided with exhaust gas recirculation, the arrangement having an exhaust gas cooler and a charge air cooler for cooling recirculated exhaust gas and / or charge air and a compressor for compressing the charge air and a condensate separator.
  • the condensate separator By means of the condensate separator, the corrosive fraction of the exhaust gas located in the condensate, which forms when the dew point temperature is reached and reached, can be removed from the exhaust gas stream or the charge air stream and ensured that no or only minimal condensate occurs in the following region collects, which promotes an eventual corrosion of the components.
  • the condensate separator is hereby preferably arranged directly after the cooler for cooling the recirculated exhaust gas and / or after the charge air cycle here and / or directly in front of the charge air compressor.
  • the condensate separator may preferably be a centrifugal or cyclone separator.
  • a filter for example made of stainless steel or plastic fabric or fleece, which serves as a condensate separator, is possible.
  • the condensate separation can be done in several stages to increase the effectiveness. Different condensate separators can be combined as required.
  • a valve for throttling the exhaust gas flow or the charge air flow is preferably provided so that the pressure level can be raised and the condensate can be discharged without additional aids.
  • tools such as a pump or other arrangement, which allows a temporary increase in pressure Sammelbe ⁇ container possible.
  • a check valve may be provided which allows outflow of the condensate, but prevents backflow of condensate and / or air from the outside.
  • the condensate drain can have such a discharge gradient that the weight force on the condensate corresponds at least to the suction pressure, so that a suck back of condensate can be prevented.
  • the condensate separator is preferably arranged directly downstream of the cooler, in particular directly downstream of the exhaust gas cooler. Also, an arrangement after the intercooler is useful. In order to protect the compressor against damage by condensate droplets, an arrangement directly in front of the compressor is also expedient. In this case, the shaft of the compressor can advantageously be used as drive or part of a centrifugal separator.
  • the condensate separator must also be arranged in an area in which condensate droplets are present. This is usually the case in an area in which the temperature of the exhaust gas stream or of the exhaust gas stream Charge air flow to the dew point (taking into account the other parameters, in particular pressure and chemical composition) reaches or falls below.
  • the exhaust gas or the charge air is in a region in which the exhaust gas or the charge air has a temperature which corresponds to the dew point or falls below the same deflected, in particular beauf ⁇ with a velocity component in the tangential direction, so that preferably the longitudinal movement a Rotationsbeweg is superimposed, but also a deflection of the air flow can be sufficient.
  • the velocity component in the tangential direction Due to the velocity component in the tangential direction, the forming condensate droplets are moved outward and can be deposited on the wall, from where they can collect, be forwarded and discharged.
  • the average tangential velocity component is preferably at least as great as the mean velocity component in the longitudinal direction, preferably at least twice as large.
  • the Kondensatabscheider is preferably coupled to the shaft of the compressor or fixed, so that a high speed with little design effort and without additional drive is possible.
  • the condensate separator preferably has a displacer or Schleu der Sciences, which is rotatably mounted on the shaft or formed by a Be ⁇ rich the shaft.
  • This follower body is preferably made of a light metal or a light metal alloy, such as aluminum, titanium or magnesium, or made of a plastic. Alternatively or additionally, it may have a surface coating, for example an oxalic layer, which protects it from corrosion.
  • the body is vorzugs ⁇ wise fluidically designed such that it despite the deflection no turbulence generated. Furthermore, it is minimized in terms of its mass to avoid mass forces.
  • the displacer or spinner is preferably arranged in the normal flow direction of the charge air upstream of the impeller of the compressor and preferably directs the charge air flow by at least 90 °, preferably by two times 180 °.
  • a Z-type deflection by z-about 180 ° leads to a very good separation of the condensate drops, with a part of the condensate drops knock off the body and thrown from there as a result of centrifugal force to the inner channel or housing wall.
  • the kinetic energy of the condensate drops can be used for removing the condensate from the interior.
  • the condensate separator is preferably arranged in the compressor housing and / or integrated in the compressor housing.
  • the compressor housing preferably has bores for the condensate drain.
  • the assembly includes a thermal condensate removal which enables detoxification of the condensate, so that acid, the acids condensate in Kon ⁇ contained, in particular the nitric acid, the sulfuric and are converted into their non-hazardous gases and "water, the sulfurous acid. This can then be added to the exhaust gas and delivered to the environment via the exhaust.
  • a thermal condensate removal which enables detoxification of the condensate, so that acid, the acids condensate in Kon ⁇ contained, in particular the nitric acid, the sulfuric and are converted into their non-hazardous gases and "water, the sulfurous acid. This can then be added to the exhaust gas and delivered to the environment via the exhaust.
  • the thermal condensate removal is preferably multi-stage, in particular three-stage, formed.
  • an exhaust-heated heat exchanger for heating the condensate is preferably provided.
  • a thermal reactor is preferably provided, which preferably comprises a PTC heating element and regulates automatically when no condensate is obtained.
  • thermosohermal reaction Actuator provided for a Resterhitzung, in particular in the form of a elektri ⁇ 's radiator, which heats the vaporized condensate to 350 to 450 c C, so that the nitric acid vapor on its innocuous Comp components nitrogen, water and oxygen converts.
  • internals are preferably provided for increasing the surface area so that the chemical process sequence can be optimized. It can be provided for each Kondensatabscheider a thermal condensate sat entsorgung, but preferably a common condensate disposal is provided for several Kondensatabscheider.
  • the heating of the thermal condensate removal may preferably be at low operating temperatures (122 ° C), the lead 2 formation of NO, are operated getak ⁇ tet, to allow, for example, load-dependent metering of NO 2 so that the NO x limits to be met.
  • an additional blower can be provided, which ensures egg conservation of the MAK values, irrespective of the function of the condensate discharge.
  • lines are provided between the condensate separator and the condensate removal line, which lines have an automatic conveying effect as a result of capillary forces and / or their arrangement, so that pumps can be dispensed with.
  • turbocharger arrangements will be explained in detail with reference to several exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
  • 1 is a schematic diagram of a Vorricrrtung for cooling exhaust gas, as it can be used in a turbocharger assembly according to the invention
  • 2 is a schematic view of a firstticiansbei ⁇ game
  • FIG. 3 is a schematic view of a second embodiment
  • FIG. 6 is a schematic view of a fifth amongsbei ⁇ game
  • FIG. 7 is a schematic representation of a turbocharger arrangement with high-pressure exhaust gas recirculation
  • FIG. 8 is a schematic representation of a turbocharger arrangement with low-pressure exhaust gas recirculation
  • Fig. 9 is a schematic view of a seventh Ausflowt! example with a first variant of a centrifugal separator
  • FIG. 10 is a schematic view of an eighth Aussolidu ngsbei ⁇ game with a second variant of a centrifugal separator
  • 11 is a schematic representation of a turbocharger arrangement with low-pressure exhaust gas recirculation with two-stage cooling of the recirculated exhaust gas
  • 12 shows a schematic representation of a turbocharger arrangement with low-pressure exhaust gas recirculation with thermal condensate disposal
  • FIG. 13 shows a schematic detail of the thermal condensate disposal of FIG. 12.
  • Fig. 1 shows a small section of a turbocharger arrangement.
  • a device 1 for cooling recirculated exhaust gas of a power tool is shown with an internal combustion engine which has a condensate separator 3 arranged downstream of a coolant-cooled exhaust gas cooler 2 with an exhaust gas outlet 4 and a condensate outlet 5.
  • the flow direction of the exhaust stream is indicated by arrows.
  • the recirculated exhaust gas stream has passed through a particle filter before the branching off of the exhaust gas stream, so that as far as possible no particles, in particular no larger particles, are separated off in addition to the condensate, which deposits and thereby reduces the maintenance effort. increase wall.
  • especially small particles can serve as condensation seeds and have a positive effect on the condensation.
  • the deposition of the condensate droplets takes place in the condensate separator 3 by a Ver ⁇ settlement of the exhaust gas flow in rotation, so that the condensate droplets are not only taken in the axial direction of the exhaust stream but insbesonde ⁇ re also conveyed to the outside and largely accumulate on the wall, from where they can descend due to gravity down and can be dissipated.
  • the pressure loss through the condensate 3 is relatively low.
  • the deposition of the aggressive condensate the components arranged behind are protected, so that the risk of corrosion can be significantly reduced.
  • a centrifugal force separator which is conventional in principle is provided as condensate deflector 3, which is part of the device 1.
  • the precipitate condensate flows down through the condensate outlet 5, where an opening is arranged with a collecting container 7, in which the condensate is collected.
  • the collecting container 7 ⁇ / vird if allowed to emptied. It should be noted that there is a negative pressure compared to the environment, so that the condensate must be sucked n, so far no Druckhi, for example, by stopping the A-bgasstroms takes place.
  • a detailed description of possible centrifugal shut-off eider takes place later with reference to Figures 9 and 10th
  • a shut-off valve 8 arranged in the exhaust gas flow is provided according to the second exemplary embodiment shown in FIG. If the condensate to be removed, the Absperr ⁇ valve 8 is short-circuited, so that the pressure in the device increases and the condensate can drain off. It can be stored in a collecting container (not shown) until it is emptied.
  • a pump 9 is arranged downstream of the collecting container 7, which pump is automatically actuated when a certain filling level of the collecting container 7 is reached, so that, in particular in the case of a low pressure Exhaust gas recirculation, which is connected to a pressure below the ambient level, no stopping of the exhaust gas flow as in the second embodiment erforder ⁇ is required to raise the negative pressure in the collecting container 7 to ambient level.
  • a further possibility of an increase in pressure in the collecting container 7 is according to the fourth embodiment shown in FIG. 5 the provision of two valves 10 at the condensate inlet and condensate outlet thereof and a thin tube 11 with a regulating valve 12 which connects the collecting container 7 to the high-pressure side of the charge air line , so that when opening the control valve 12, the valve 10 is automatically closed at Konden ⁇ sateinlass, the pressure in the collecting container 7 increases and upon reaching a pressure level increased relative to the environment, the second valve 10 opens automatically at the condensate outlet, so that the Kon ⁇ condensate dissipated can be.
  • a turbulence generator 13 is integrated in the line downstream of the exhaust gas cooler 2 in conjunction with a downstream annular channel 14 as condensate separator 3.
  • the turbulence generator 13 By the turbulence generator 13, the exhaust gas stream with a Superimposed on rotational movement, so that in turn the condensate droplets forming on the basis of the reduced temperature after the exhaust gas cooler 2 are carried to the outside and deposited on the wall. Due to the speed component of the exhaust gas flow in the longitudinal direction, the condensate is entrained in the longitudinal direction and thus enters the channel 14, where it is discharged downwards and collects in a collecting container 7 according to the first embodiment. For emptying the collecting tank 7, in particular in the case of low-pressure exhaust gas recirculation, measures according to the embodiments described above are possible, for example.
  • the arrangement of the condensate separator does not necessarily have to be directly downstream of the exhaust gas cooler.
  • an arrangement after a subsequent intercooler is useful, especially if the temperature only reaches or falls below the dew point, so that in this case the charge air is cooled, which consists of de r intake air and the recirculated exhaust gas. Accordingly, in principle, the pure intake air can be dried.
  • a filter according to the exhaust gas cooler which has a synthetic fleece, is arranged as a condensate separator.
  • the condensate forming thereon collects and runs downwards, where it is collected in a collecting container.
  • FIGS. 7 and 8 show examples of a possible arrangement of a condensate separator 3 in the case of high-pressure exhaust gas recirculation (FIG. 7) and in the case of low-pressure exhaust gas recirculation (FIG. 8).
  • the configuration can be made in all cases according to the embodiments described above.
  • the lines of Nieder ⁇ pressure side are in Figures 7 and 8 by thick solid lines shown, the high pressure side by dashed lines.
  • the Strömungs ⁇ directions are each illustrated by arrows.
  • the diversion of the exhaust gas to be recirculated takes place from the exhaust gas flow coming from the engine M on the high-pressure side, ie before a pressure reduction.
  • the intake air is compressed in a compressor V, flows through a charge air cooler L, and is then supplied with the recirculated, cooled exhaust gas 3, which is dry after flowing through the condensate separator 3. Subsequently, the charge air flow is fed to the engine M.
  • FIG. 8 shows an example of a low-pressure exhaust gas recirculation, wherein the exhaust gas to be recirculated is branched off from the exhaust gas flow coming from the engine M on the low-pressure side, that is to say after a pressure reduction.
  • the exhaust gas to be recirculated is branched off from the exhaust gas flow coming from the engine M on the low-pressure side, that is to say after a pressure reduction.
  • the compressor V and the subsequent charge air cooler L and to protect it from corrosion it is guided through the exhaust gas cooler 2 and the condensate separator 3 and only then supplied to the intake air.
  • the charge air flow which is now formed by the recirculated exhaust gas and the intake air, is cooled in the intercooler L and fed to the engine M.
  • a centrifugal separator with a rotating displacer or spinner 20 can be provided as condensate separator 3, in which case the displacer or spinner 20 on the elongated shaft 21 of the turbocharger, on which the compressor wheel 22 is arranged, is mounted before entering the Ver ⁇ denser V.
  • the rotational speed of the centrifugal separator is coupled to the rotational speed of the compressor impeller 22, which is generally from 120,000 to 150,000 rpm.
  • the deflection of the charge air flow due to the displacer or Schleuder ⁇ body 20 in conjunction with the compressor inlet is geometrically designed here so that more condensate drops are deposited, which have not deposited on the displacement or spinner 20.
  • the displacer or spinner 20 is cup-shaped, the opening pointing in the direction of the compressor V. Due to the Z-like deflection of the charge air flow, in this case by 2 x about 180 °, were ⁇ the most condensate drops deposited before the charge air enters the compressor V.
  • the presently made of an aluminum alloy displacer or spinner 20 is inserted end auf ⁇ on the shaft 21 and soldered to the same.
  • FIG. 10 shows a displacer or spinner 20 for a radial condensate discharge according to the eighth exemplary embodiment of a condensate separator 3.
  • the air is deflected outwards by approximately 90 °, so that the condensate droplets are displaced onto the displacer or spinner meet body 20 from which they are hurled due to the centrifugal force with high kinetic energy to the outside in an annular condensate drain leading to the channel 5, which has a schematically indicated Ven ⁇ tilmechanismus 23, which als ⁇ the high kinetic energy auf ⁇ striking condensate lets through, but prevents condensate backflow into the compressor chamber.
  • the presently made of plastic displacer or spinner 20 is inserted end auf ⁇ on the shaft 21 and glued to the same, with as additional security, the Wei- lenende have a hexagonal shape and the displacer or Schleuder ⁇ body 20 have a corresponding inner shape.
  • FIG. 11 shows a low-pressure exhaust gas recirculation with two-stage cooling of the recirculated exhaust gas (exhaust gas cooler 2) in addition to the (presently) one-stage charge air cooling (charge air cooler L).
  • exhaust gas cooler 2 the exhaust gas coming from the engine M flows through the turbine T and, in the relaxed, cooled state, a subsequently arranged filter F is removed from the exhaust gas by means of its particles.
  • Valve-controlled a part of the exhaust gas purified by particles can be recirculated at a branch, the remainder of the exhaust gas passes through the exhaust to the outside.
  • the exhaust gas recirculation quantity is determined by the settling pressure gradient of exhaust back pressure and intake negative pressure, so that high exhaust gas recirculation quantities are possible with simple means.
  • the recirculated part of the exhaust gas is passed through a two-stage exhaust gas cooler 2, wherein in the first stage 2 'a pre-cooling by the engine coolant, which circulates in an otherwise conventionally designed engine cooling circuit, takes place. If necessary, the exhaust gas temperature is further reduced in the second stage 2 ", while the second stage 2" is part of a low-temperature cooling circuit.
  • This has an air-cooled Niedertem ⁇ temperature cooler NK, which is arranged in the air stream following the motor coolant cooling high-temperature radiator HK, a compressor K for circulating the coolant or refrigerant and in parallel branches a charge air cooler L and the second stage. 2 of the exhaust gas cooler 2, wherein the cooling or refrigerant distribution is controlled by means of valves.
  • a valve-controlled if necessary available bypass B is provided, which runs parallel to the engine N / 1 and charge air can lead past the same.
  • a condensate separator 3 is provided, with the aid of which condensate can be removed from the cold recirculated exhaust gas before it is mixed with the fresh air sucked in.
  • a further condensate in particular a centrifugal separator as described above with clutchnah ⁇ me to the figures 9 or 10.
  • a thermal condensate discharge 30 For disposal of the accumulating condensate, which is classified as hazardous substance and therefore can not be stored on board a vehicle, a thermal condensate discharge 30 is provided.
  • the acids formed can be converted into non-critical components with the aid of a multi-stage thermal reactor.
  • the condensate formed can be used for the precooling of the recirculated exhaust gas.
  • FIG. 12 An example of the arrangement of such a condensate discharge 30 in ei ⁇ ner low-pressure exhaust gas recirculation is shown schematically in Figures 12 and 13.
  • condensate which collects on the exhaust gas cooler 2, in front of the compressor V and in or after the charge air cooler L via lines gene to a central condensate collector 31 out of which it is fed via a line to a thermal reactor 32, the part of thermal condensate discharge 30 is.
  • the thermal reactor 32 is subsequently integrated with the filter F in an exhaust manifold of the engine.
  • the condensate-carrying lines in particular the Lei ⁇ tion from the condensate collector 31 to the thermal reactor 32, vor ⁇ lying on a cross section, which allows a promotion of the condensate due to capillary forces, so that can be despised on pumps.
  • there is no essential storage of the resulting condensate in the engine system but the condensate is disturbed. directly passed to the thermal reactor 32, heated therein and then discharged.
  • the condensate is used in a first stage S1 for cooling the recirculated exhaust gas, for which purpose a correspondingly formed heat exchanger forms the first stage 2 'of the exhaust duct 2, ie is arranged before the actual exhaust gas cooler 2 enters that substantially the entire enthalpy change of the condensate can be used for the first stage S 1 of the cooling of the exhaust gas.
  • This causes a heating of the condensate.
  • ribs or corresponding measures which increase the surface area are provided for optimizing the heat transfer of the exhaust gas heat to the condensate.
  • a second step S2 the evaporation of the heated Konden ⁇ sats, whereby the further heating presently follows er ⁇ by means of a self-regulating PTC-Heizeemperents (Positive Thermal Coefficient) to about 250 to 300 0 C, and takes place in a third step S3, a Reheating to 350 to 450 0 C.
  • PTC-Heizelements Positive Thermal Coefficient
  • the PTC heating element is designed such that it automatically stops when no condensate has accumulated.
  • the Resterhitzung the evaporated condensate in the third stage is carried out in the present case by means of an electrically heated Rohr ⁇ heater, which has a surface temperature of 350 to 450 ° C and Einbau ⁇ th or packing with a large surface area and possibly catalytic action.
  • nitric acid decomposes into NO 2 , N 2 , H 2 O and O 2 and sulfuric acid or sulfurous acid in H 2 O and SO 2 or SO 3 according to the following reactions: 4 HNO 3 -> 4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2 4 HNO 3 -> 2 N 2 + 2 H 2 O + 5 O 2 H 2 SO 4 -> SO 3 + H 2 OH 2 SO 3 -> SO 2 + H 2 O
  • the now harmless condensate is fed to the exhaust gas stream and disposed of via the exhaust.
  • an additional blower can be provided, which ensures compliance with the limit values regardless of the function of the condensate discharge 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere Turboladeranordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, mit Abgasrückführung, wobei die Anordnung einen Abgaskühler (2) und einen Ladeluftkühler (L) zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft und ein Verdichter (V) zur Verdichtung der Ladeluft sowie mindestens einen Kondensatabscheider (3) aufweist.

Description

)ND ENSATABS CHEIDER IKT EINER TURBOLADERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN :NER SOLCHEN ANORDNUCTG
Die Erfindung betrifft ein Turboladeranordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 19.
Zur Verringerung der Partikel- und Stickoxidemission bei Dieselmotoren ist die Rückführung von Abgas bekannt, wobei sowohl eine Hochdruck- Abgasrückführung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführung möglich ist. Dabei wird der Abgasstrom auf Temperaturen von ca. 15O0C bis 2000C abgekühlt und der Ansaugluft zugemischt. Als Kühlmedium im Abgaskühler wird bei diesen Temperaturen der gekühlten Ansaugluft in der Regel ein Teilstrom des Motor-Kühlmittels verwendet, jedoch ist auch die Verwendung anderer Kühlmittel bekannt. Die Abgasrückführung ist um so wirku ngsvoller, je niedriger die Gasaustrittstemperaturen am Abgaskühler sind.
Bei der Hochdruck-Abgasrückführung wird üblicherweise Abgas vor der Turbine entnommen und der Ladeluft nach dem Ladeluftkühler zugeführt. Die Kühlung des rückgeführten Abgases erfolgt durch das heiße Motor- Kühlmittel, so dass auf Grund der hohen Temperaturen üblicherweise kein Abgaskondensat entsteht. Die Hochdruck-Abgasrückführung erreicht eine deutliche Verringerung der Stickoxidemission, allerdings verbunden mit einem gleichzeitigen Anstieg der Partikelemission. Die Partikel— oder Feinstaubemission kann durch Partikelfilter verringert werden.
Bei der Niederdruck-Abgasrückführung wird das Abgas nach der T urbine, bevorzugt nach einem Partikelfilter, dem Abgasstrom entnommen, abgekühlt und dem Verdichter saugseitig zugeführt. Auf Grund der stärkeren Abkühlung des zurückgeführten Abgases ist eine weitere Verminderung der Stickoxidemission möglich, jedoch bildet sich auf Grund der starken Abkühlung des rückgeführten Abgases sich Kondensat, welches starK sauer ist, was im Wesentlichen auf die gebildete Salpetersäure HNO3 zurückgeht, so dass es zu Korrosion kommt. Wird Kondensatnebel dem Verdichter zugeführt, so kann dieser zudem den Verdichter wegen dessen hoher Drehzahl (ca. 120000 bis 150000 U/min) beschädigen.
Bei Nutzfahrzeugen ist neben der Abgasrückführung zur Verringerung der Stickoxidemission auch das SCR Verfahren (Selective Catalytic Reduction) bekannt, bei dem entweder aus Ammonium-Carbamat oder wässriger Harnstofflösung Ammoniak erzeugt wird, welches das vom Motor erzeugte Stickoxid in die unschädlichen Komponenten Stickstoff und Wasser katalytisch umwandelt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dsss ein zusätzlicher Betriebsstoff im Fahrzeug mitgeführt werden muss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ei¬ ne verbesserte Turboladeranordnung und ein Verfahren zum Betreiben ei¬ nes Turboladers zur Verfügung zu stellen, bei der die Gefahr einer Korrosion möglichst gering ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Turbolad&ranord- nung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des An¬ spruches 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der LJnteran- sprüche. Im Folgenden soll unter Ladeluft sowohl die Ansaugluft als auch der mit der rückgeführten Abgas gemischte Ansaugluft verstanden werden.
Erfindungsgemäß ist eine Turboladeranordnung, insbesondere eines Kraft¬ fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, mit Abgasrückführung vorgese¬ hen, wobei die Anordnung einen Abgaskühler und einen Ladeluftkühler zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft und ein Verdichter zur Verdichtung der Ladeluft sowie ei nen Kondensatabscheider aufweist. Durch den Kondensatabscheider kann der sich in dem Kondensat, welches sich bei Erreichen und Unterschreiten der Taupunkttemperatur bildet, befindliche kor¬ rosive Anteil des Abgases aus denn Abgasstrom oder dem Ladeluftstrom ent¬ fernt und sichergestellt werden, dass im folgenden Bereich sich kein oder nur minimal Kondensat sammelt, welches eine gegebenenfalls stattfindende Korrosion der Bauteile fördert. Der Kondensatabscheider ist hierbei bevor¬ zugt direkt nach dem Kühler zur Kühlung des rückgeführten Abgases und/oder nach dem LadeluftkQ hier und/oder direkt vor dem Ladeluft- Verdichter angeordnet.
Beim Kondensatabscheider kann es sich bevorzugt um einen ein Fliehkraft¬ oder Zyklonabscheider handeln. Alternativ ist auch die Verwendung eines anderen Turbulenzerzeugers möglich, welcher in einem Luftstrom befindliche Kondensattröpfchen nach außen fördert, so dass sie abgeführt werden kön¬ nen. Beliebige andere gleichwirkende Vorrichtungen sind ebenfalls möglich.
Ferner ist die Verwendung eines Filters, beispielsweise aus Edelstahl- oder aus Kunststoffgewebe bzw. -vlies, der als Kondensatabscheider dient, mög¬ lich. - A -
In allen Fällen kann die Kondensatabscheidung zur Erhöhung der Effektivität mehrstufig erfolgen. Dabei können auch unterschiedliche Kondensatab- scheider beliebig miteinander kombiniert werden.
Um das Kondensat aus einem Sammelbehälter o.a. ableiten zu Icönnen, ist bevorzugt ein Ventil zur Drosselung des Abgasstroms oder des. Ladeluft¬ stroms vorgesehen, so dass das Druckniveau angehoben und das Konden¬ sat ohne zusätzliche Hilfsmittel abgeleitet werden kann. Alternativ ist auch die Verwendung von Hilfsmitteln, wie beispielsweise einer Pumpe oder einer sonstigen Anordnung, welche eine befristete Druckerhöhung im Sammelbe¬ hälter ermöglicht, möglich.
Am Kondensatabfluss kann ein Rückschlagventil vorgesehen sein, welches ein Ausströmen des Kondensats ermöglicht, jedoch ein Rückströmen von Kondensat und/oder Luft von außen verhindert.
Ferner kann der Kondensatabfluss ein derartiges Ablaufgefälle aufweisen, dass die Gewichtskraft auf das Kondensat mindestens dem Ansaugdruck entspricht, so dass ein Rücksaugen von Kondensat verhindert werden kann.
Der Kondensatabscheider ist bevorzug direkt nach dem Kühler, insbesonde¬ re bevorzugt direkt nach dem Abgaskühler, angeordnet. Ebenfalls ist eine Anordnung nach dem Ladeluftkühler sinnvoll. Um den Verdichter vor Be¬ schädigungen durch Kondensattröpfchen zu schützen, ist auch eine Anord¬ nung direkt vor dem Verdichter sinnvoll. Hierbei kann die Welle des Verdich¬ ters vorteilhafterweise als Antrieb oder Teil eines Fliehkraftabscheiders ver¬ wendet werden.
Der Kondensatabscheider muss zudem in einem Bereich angeordnet sein, in welchem Kondensattröpfchen vorhanden sind. Dies ist üblichem/eise in ei¬ nem Bereich der Fall, in welchem die Temperatur des Abgasstroms oder des Ladeluftstroms den Taupunkt (unter Berücksichtigung der sonstigen Para¬ meter, wie insbesondere Druck und chemische Zusammensetzung) erreicht oder unterschreitet.
Das Abgas oder die Ladeluft wird erfindungsgemäß in einem Bereich, in wel¬ chem das Abgas oder die Ladeluft eine Temperatur aufweist, welche dem Taupunkt entspricht oder denselben unterschreitet, umgelenkt, insbesondere mit einer Geschwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung beauf¬ schlagt, so dass bevorzugt der Längsbewegung eine Rotationsbeweg ung überlagert wird, jedoch kann auch eine Umlenkung des Luftstroms ausrei¬ chend sein. Durch die Geschwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung werden die sich bildenden Kondensattröpfchen nach außen bewegt und können sich an der Wand ablagern, von wo sie sich sammeln, weitergeleitet und abgeführt werden können. Bevorzugt ist die mittlere tangentiale Ge¬ schwindigkeitskomponente im Bereich der Kondensatabscheidung mindes¬ tens so groß wie die mittlere Geschwindigkeitskomponente in Längsrichtung, bevorzugt mindestens doppelt so groß.
Der Kondensatabscheider ist vorzugsweise mit der Welle des Verdichters gekoppelt oder fest verbunden, so dass eine hohe Drehzahl mit geringem konstruktiven Aufwand und ohne Zusatzantrieb möglich ist.
Bevorzugt weist der Kondensatabscheider einen Verdränger- oder Schleu¬ derkörper auf, der auf der Welle drehfest angeordnet oder durch einen Be¬ reich der Welle gebildet ist. Dieser mitlaufende Körper ist bevorzugt aus ei¬ nem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, wie Aluminium, Titan o- der Magnesium, oder aus einem Kunststoff gefertigt. Alternativ oder zusätz¬ lich kann er eine Oberflächenbeschichtung, beispielsweise eine Oxal- Schicht, ausweisen, die ihn vor Korrosion schützt. Der Körper ist vorzugs¬ weise strömungstechnisch derart ausgebildet, dass er trotz der Umlenkung keine Verwirbelungen erzeugt. Ferner ist er in Hinblick auf seine Masse zur Vermeidung von Massenkräften minimiert.
Der Verdränger- oder Schleuderkörper ist vorzugsweise in normaler Strö¬ mungsrichtung der Ladeluft vor dem Laufrad des Verdichters angeordnet und lenkt vorzugsweise den Ladeluftstrom um mindestens 90°, vorzugsweise um zweimal 180°, um. Insbesondere eine Z-artige Umlenkung um z-weimal ca. 180° führt zu einer sehr guten Abscheidung der Kondensattropfen , wobei sich ein Teil der Kondensattropfen am Körper abschlagen und von dort in Folge der Fliehkraft an die innere Kanal- oder Gehäusewand geschleudert werden. Dabei kann die kinetische Energie der Kondensattropfen für ein Ab¬ führen des Kondensats aus dem Innenraum verwendet werden.
Der Kondensatabscheider ist vorzugsweise in dem Verdichtergehäuse an¬ geordnet und/oder in das Verdichtergehäuse integriert ausgebildet- Dabei weist das Verdichtergehäuse vorzugsweise Bohrungen für den Kondensat- ablauf auf.
Die Anordnung weist vorzugsweise eine thermische Kondensatentsorgung auf, welche eine Entgiftung des Kondensats ermöglicht, so dass die i m Kon¬ densat enthaltenen Säuren, insbesondere die Salpetersäure, die Schwefel¬ säure und die schwefelige Säure, in deren ungefährliche Gase und "Wasser umgewandelt werden. Diese können anschließend dem Abgas beig egeben und an die Umgebung über den Auspuff abgegeben werden.
Die thermische Kondensatentsorgung ist bevorzugt mehrstufig, insbesonde¬ re dreistufig, ausgebildet. Als erste Stufe ist hierbei bevorzugt ein abgasbe¬ heizter Wärmetauscher für die Erwärmung des Kondensats vorgesehen. Als zweite Stufe ist bevorzugt ein thermischer Reaktor vorgesehen, welcher vor¬ zugsweise ein PTC-Heizelement umfasst und selbsttätig abregelt, wenn kein Kondensat anfällt. Als dritte Stufe ist vorzugsweise weiterer thermisoher Re- aktor für eine Resterhitzung vorgesehen, insbesondere in Form eines elektri¬ schen Heizkörpers, der das verdampfte Kondensat auf 350 bis 450cC erhitzt, so dass der Salpetersäure-Dampf sich in seine unschädlichen Komp onenten Stickstoff, Wasser und Sauerstoff umwandelt. Insbesondere im thermischen Reaktor der dritten Stufe sind vorzugsweise Einbauten zur Oberflächenver¬ größerung vorgesehen, so dass der chemische Prozessablauf optim iert wer¬ den kann. Es kann für jeden Kondensatabscheider eine thermische Konden¬ satentsorgung vorgesehen sein, vorzugsweise ist jedoch eine gemeinsame Kondensatentsorgung für mehrere Kondensatabscheider vorgesehen.
Die Heizung der thermischen Kondensatentsorgung kann bevorzugt bei niedrigen Betriebstemperaturen (122°C), die zur NO2-Bildung führen, getak¬ tet betrieben werden, um eine beispielsweise lastabhängige Dosierung des NO2 zu ermöglichen, so dass die NOχ-Grenzwerte eingehalten werden.
Ebenfalls kann ein Zusatzgebläse vorgesehen sein, welches die Ei nhaltung der MAK-Werte sicherstellt, unabhängig von der Funktion der Kondensatent¬ sorgung.
Vorzugsweise sind zwischen Kondensatabscheider und Kondensstentsor- gung Leitungen vorgesehen, welche in Folge von Kapillarkräften und/oder deren Anordnung eine automatische Förderwirkung haben, so dass auf Pumpen verzichtet werden kann.
Im Folgenden werden Turboladeranordnungen anhand mehrerer Ausfüh¬ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorricrrtung zur Kühlung von Abgas, wie sie in einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung verwendet werden kann, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbei¬ spiels,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbei- spiels,
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbei- spiels,
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbei¬ spiels,
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines fünften Ausführungsbei¬ spiels,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Turboladeranordnung mit Hochdruck-Abgasrückführung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Turboladeranordnung mit Niederdruck-Abgasrückführung,
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines siebten Ausführt! ngsbei- spiels mit einer ersten Variante eines Fliehkraftabscheiders,
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines achten Ausführu ngsbei¬ spiels mit einer zweiten Variante eines Fliehkraftabscheiders,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Turboladeranordnung mit Niederdruck-Abgasrückführung mit zweistufiger Kühlung des rückgeführten Abgases, Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Turboladeranordnun cj mit Niederdruck-Abgasrückführung mit thermischer Konden¬ satentsorgung, und
Fig. 13 eine schematische Detaildarstellung der thermischen Kon¬ densatentsorgung von Fig. 12.
Fig. 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einer Turboladeranordnung. Hierbei ist eine Vorrichtung 1 zur Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Kraftfahi r- zeugs mit einem Verbrennungsmotor dargestellt, die einen einem kältemit¬ telgekühlten Abgaskühler 2 nachgeordnet angeordneten Kondensatabschei¬ der 3 mit einer Abgasauslass 4 und einem Kondensatablauf 5 aufweist. In Fig. 1 ist die Strömungsrichtung des Abgasstroms durch Pfeile angedeutet. Die Funktion, wie auch die der im Folgenden beschriebenen Ausführungs¬ beispiele eins bis fünf ist jeweils die Gleiche, nämlich dem durch den Abgas¬ kühler 2 auf ca. 1500C (Temperatur unter Taupunkt unter Berücksichtigung der sonstigen Parameter, wie insbesondere Druck und chemische Zusam¬ mensetzung) abgekühlten Abgasstrom wird direkt nach dem Austritt aus de m Abgaskühler 2 die Feuchtigkeit durch den Kondensatabscheider 3 soweit möglich entzogen. Der trockene Abgasstrom gelangt über ein Tauchrohr 6 aus dem Kondensatabscheider 3 und wird anschließend mit der Ansaugluft gemischt. Der hieraus resultierende Ladeluftstrom wird weiter verdichtet, Im Ladeluftkühler gekühlt und anschließend dem Turbolader (nicht dargestellt) zugeführt.
Vorliegend hat der rückgefü hrte Abgasstrom vor dem Abzweigen vom &e- samtabgasstrom einen Partikelfilter durchlaufen, so dass neben dem Kon¬ densat möglichst keine Partikel, insbesondere keine größeren Partikel, ab¬ geschieden werden, welche sich ablagern und dadurch den Wartungsauf- wand erhöhen. Insbesondere kleine Partikel können jedoch als Kondensati¬ onskeime dienen und sich positiv auf die Kondensation auswirken.
Dabei erfolgt die Abscheidung der Kondensattröpfchen gemäß den folgen¬ den fünf Ausführungsbeispielen im Kondensatabscheider 3 durch eine Ver¬ setzung des Abgasstroms in Rotation, so dass die Kondensattröpfchen nicht nur in axialer Richtung vom Abgasstrom mitgenommen sondern insbesonde¬ re auch nach außen gefördert werden und sich weitestgehend a n der Wand ansammeln, von wo sie in Folge der Schwerkraft nach unten sinken und so abgeführt werden können. Der Druckverlust durch den Kondensatabscheider 3 ist hierbei relativ gering. In Folge der Abscheidung des aggressiven Kon¬ densats werden die dahinter angeordneten Bauteile geschützt, so dass die Korrosionsgefahr deutlich gesenkt werden kann.
Gemäß dem ersten , in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein im Prinzip herkömmlicher Fliehkraftabscheider als Kondensatabschieider 3 vor¬ gesehen, welcher Teil der Vorrichtung 1 ist. Das sich niederschlagende Kon¬ densat fließt in Folge der Schwerkraft durch den Kondensatablauf 5 nach unten, wo eine Öffn ung mit einem Sammelbehälter 7 angeordnet ist, in wel¬ chem das Kondensat gesammelt wird. Der Sammelbehälter 7 Λ/vird bei Be¬ darf geleert. Hierbei ist zu beachten, dass im Vergleich zur Umgebung ein Unterdruck herrscht, so dass das Kondensat abgesaugt werde n muss, so¬ fern keine Druckerhiöhung, beispielsweise durch Stoppen des A-bgasstroms, erfolgt. Eine detaillierte Beschreibung möglicher Fliehkraftabschi eider erfolgt an späterer Stelle unter Bezugnahme auf die Figuren 9 und 10.
Um eine Druckerhöhung zu bewirken, ist gemäß dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ein im Abgasstrom angeordnetes Absperrventil 8 vorgesehen. Soll das Kondensat abgeführt werden, so wird das Absperr¬ ventil 8 kurz geschlossen, so dass der Druck in der Vorrichtung ansteigt und das Kondensat abfließen kann. Es kann in einem Sammelbehälter (nicht dargestellt) bevorratet werden, bis dieser entleert wird.
Gemäß dem dritten, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, ist nach dem Sammelbehälter 7 eine Pumpe 9 angeordnet, welche bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes des Sammelbehälters 7 automatisch betätigt wird, so dass, insbesondere im Falle einer Niederdruck-Abgasrückführung, die mit einem unter dem Umgebungsniveau liegenden Druck verbunden ist, kein Stoppen des Abgasstroms wie beim zweiten Ausführungsbeispiel erforder¬ lich ist, um den Unterdruck im Sammelbehälter 7 auf Umgebungsniveau an¬ zuheben.
Eine weitere Möglichkeit einer Druckerhöhung im Sammelbehälter 7 ist ge¬ mäß dem in Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel das Vorsehen zweier Ventile 10 am Kondensateinlass und Kondensatauslass desselben und eines dünnen Schlauchs 11 mit einem Regelventil 12, welcher den Sammelbehälter 7 mit der Hochdruckseite der Ladeluftleitung verbindet, so dass bei Öffnen des Regelventils 12 automatisch das Ventil 10 am Konden¬ sateinlass geschlossen wird, der Druck im Sammelbehälter 7 ansteigt und bei Erreichen eines gegenüber der Umgebung erhöhten Druckniveaus das zweite Ventil 10 am Kondensatauslass automatisch öffnet, so dass das Kon¬ densat abgeführt werden kann.
Natürlich sind auch andere Varianten zur Druckerhöhung im Sammelbehälter möglich, um das Kondensat abzuführen.
Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel ist ein Tur¬ bulenzerzeuger 13 in Verbindung mit einem nachgeordneten ringförmigen Kanal 14 als Kondensatabscheider 3 in die Leitung nach dem Abgaskühler 2 integriert. Durch den Turbulenzerzeuger 13 wird der Abgasstrom mit einer Drehbewegung überlagert, so dass wiederum die sich auf Grund der verrin¬ gerten Temperatur nach dem Abgaskühler 2 bildenden Kondensattröpfchen nach außen getragen und an der Wand abgelagert werden. Durch die Ge¬ schwindigkeitskomponente des Abgasstroms in Längsrichtung wird das Kondensat in Längsrichtung mitgeführt und gelangt so in den Kanal 14, wo es nach unten abgeführt wird und sich entsprechend dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel in einem Sammelbehälter 7 sammelt. Z_um Leeren des Sam¬ melbehälters 7, insbesondere im Falle einer Niederdruck-Abgasrückführung, sind beispielsweise Maßnahmen entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich.
Die Anordnung des Kondensatabscheiders muss nicht notwendigerweise di¬ rekt nach dem Abgaskühler sein. Beispielsweise ist auch eine Anordnung nach einem nachfolgenden Ladeluftkühler sinnvoll, insbesondere wenn die Temperatur den Taupunkt erst dort erreicht oder unterschreitet, so dass in diesem Fall die Ladeluft gekühlt wird, welche aus de r Ansaugluft und dem rückgeführten Abgas besteht. Entsprechend kann prinzipiell auch die reine Ansaug luft getrocknet werden.
Gemäß einem nicht in der Zeichnung dargestellten sechsten Ausführungs¬ beispiel ist als Kondensatabscheider ein Filter nach dem Abgaskühler ange¬ ordnet, welcher ein Kunststoffvlies aufweist. Das hieran ausbildende Kon¬ densat sammelt sich und läuft nach unten ab, wo es in einem Sammelbehäl¬ ter gesammelt wird.
In den Figuren 7 und 8 sind Beispiele für eine mögliche Anordnung eines Kondensatabscheiders 3 für den Fall einer Hochdruck-Abgasrückführung (Fig. 7) und für den Fall einer Niederdruck-Abgasrückführung (Fig. 8) darge¬ stellt. Hierbei kann die Ausgestaltung in allen Fällen entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgen. Die Leitungen der Nieder¬ druckseite sind in den Figuren 7 und 8 durch dicke durchgezogene Linien dargestellt, die der Hochdruckseite durch gestrichelte Linien. Die Strömungs¬ richtungen sind jeweils durch Pfeile verdeutlicht.
Gemäß der in Fig. 7 dargestellten Hochdruck-Abgasrückführung erfolgt die Abzweigung des rückzuführenden Abgases von dem vom Motor M kommen¬ den Abgasstrom hochdruckseitig, also vor einer Druckabsenkung. Die An¬ saugluft wird in einem Verdichter V verdichtet, durchströmt einen Ladeluft¬ kühler L und anschließend wird ihr das rückgeführte, gekühlte und nach dem Durchströmen des Kondensatabscheiders 3 trockene Abgas zugeführt. An¬ schließend wird der Ladeluftstrom dem Motor M zugeführt.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer Niederdruck-Abgasrückführu ng, wobei das rückzuführende Abgas von dem vom Motor M kommenden Abgasstrom nie- derdruckseitig, also nach einer Druckabsenkung, abgezweigt wird. Es wird, um den Verdichter V und den nachfolgenden Ladeluftkühler L nicht zu schä¬ digen und vor Korrosion zu schützen, durch den Abgas-Kühler 2 und den Kondensatabscheider 3 geführt und erst anschließend der Ansaugluft zuge¬ führt. Der nunmehr durch das rückgeführte Abgas und die Ansaugluft gebil¬ dete Ladeluftstrom wird im Ladeluftkühler L gekühlt und dem Motor M zuge¬ führt.
Um die Massenstromabhängigkeit und die für den Einbau benötigte zusätzli¬ che Bautiefe eines Zyklonabscheiders zu umgehen, kann gemäß dem sieb¬ ten und achten Ausführungsbeispiel als Kondensatabscheider 3 ein Flieh¬ kraftabscheider mit einem rotierenden Verdränger- oder Schleuderkörper 20 vorgesehen sein , wobei vorliegend der Verdränger- oder Schleuderkörper 20 auf der verlängert ausgebildeten Welle 21 des Turboladers, auf welcher auch das Verdichterlauf rad 22 angeordnet ist, vor dem Eintritt in den Ver¬ dichter V angebracht ist. Auf diese Weise ist die Drehzahl des Fliehkraftab¬ scheiders gekoppelt an die Drehzahl des Verdichterlaufrads 22, welche in der Regel 120000 bis 150000 U/min beträgt. Der Kondensattropfen führende Ladeluftstrom trifft auf den Verdränger- oder Schleuderkörper 20, so dass eine Umlenkung der Strömung erzwungen wird, so dass ein Großteil der Kondensattropfen sich am Verdränger- oder Schleuderkörper 20 ablagern und von diesem in Folge der hohen Drehzahl nach außen geschleudert wer¬ den, wo sie sich sammeln und in Richtung Kondensatablauf 5 strömen. Die Umlenkung des Ladeluftstroms auf Grund des Verdränger- oder Schleuder¬ körpers 20 in Verbindung mit dem Verdichtereintritt ist hierbei geometrisch derart gestaltet, dass auch weitere Kondensattropfen abgeschieden werden, die sich nicht am Verdränger- oder Schleuderkörper 20 abgelagert haben.
Gemäß dem in Fig. 9 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel für einen Kondensatabscheider ist der Verdränger- oder Schleuderkörper 20 napfartig ausgebildet, wobei die Öffnung in Richtung Verdichter V zeigt. Auf Grund der Z-artigen Umlenkung des Ladeluftstroms, vorliegend um 2 x ca. 180°, wer¬ den die meisten Kondensattropfen abgelagert, bevor die Ladeluft in den Verdichter V gelangt. Der vorliegend aus einer Aluminiumlegierung gefertigte Verdränger- oder Schleuderkörper 20 ist endseitig auf die Welle 21 aufge¬ steckt und mit derselben verlötet.
Fig. 10 zeigt einen Verdränger- oder Schleuderkörper 20 fü r eine radiale Kondensatabführung gemäß dem achten Ausführungsbeispiel für einen Kondensatabscheider 3. Hierbei wird die Luft um ca. 90° nach außen umge¬ lenkt, so dass die Kondensattropfen auf den Verdränger- oder Schleuder¬ körper 20 treffen, von dem sie in Folge der Fliehkraft mit hoher kinetischer Energie nach außen in einen ringförmigen zum Kondensatablauf 5 führen¬ den Kanal geschleudert werden, der einen schematisch angedeuteten Ven¬ tilmechanismus 23 aufweist, welcher die mit hoher kinetischer Energie auf¬ treffenden Kondensattropfen durchlässt, aber einen Kondensatrückfluss in den Verdichterraum verhindert. Der vorliegend aus Kunststoff gefertigte Verdränger- oder Schleuderkörper 20 ist endseitig auf die Welle 21 aufge¬ steckt und mit derselben verklebt, wobei als zusätzliche Sicherung das WeI- lenende einen sechskantartige Gestalt und der Verdränger- oder Schleuder¬ körper 20 eine entsprechende Innenform aufweisen.
In Fig. 11 ist eine Niederdruck-Abgasrückführung mit zweistufiger Kühlung des rückgefiihrten Abgases (Abgaskühler 2) zusätzlich zur (vorliegend) ein¬ stufigen Ladeluftkühlung (Ladeluftkühler L) dargestellt. Das vom Motor M kommende Abgas durchströmt hierbei die Turbine T und in entspanntem, abgekühltem Zustand ein nachfolgend angeordnetes Filter F, mit Hilfe des¬ sen Partikel aus dem Abgas entfernt werden. An einer Verzweigung kann ventilgesteuert ein Teil des von Partikeln gereinigten Abgases rückgeführt werden, der Rest des Abgases gelangt durch den Auspuff nach außen. Die Abgasrückführmenge wird hierbei durch das sich einstel lende Druckgefälle von Abgasgegendruck und Ansaugunterdruck bestimmt, so dass mit einfa¬ chen Mitteln hohe Abgasrückführmengen möglich sind.
Der rückgeführte Teil des Abgases wird durch einen zweistufigen Abgasküh¬ ler 2 wobei in der ersten Stufe 2' eine Vorkühlung durch das Motor- Kühlmittel, das in einem ansonsten herkömmlich ausgebildeten Motor- Kühlkreislauf zirkuliert, erfolgt. In der zweiten Stufe 2" erfolgt bei Bedarf eine weitere Absenkung der Abgastemperatur. Die zweite Stufe 2" ist Teil eines Niedertemperaturkühlkreislaufs. Dieser weist einen luftgekühlten Niedertem¬ peratur-Kühler NK, dem im Luftstrom nachfolgend der das Motor-Kühlmittel kühlenden Hochtemperatur-Kühler HK angeordnet ist, einen Kompressor K zum Umwälzen des Kühl- oder Kältemittels und in parallelgeschalteten Zweigen einen Ladeluftkühler L und die zweite Stufe 2" des Abgaskühlers 2 auf, wobei d ie Kühl- oder Kältemittelverteilung mit Hilfe von Ventilen geregelt ist.
Ferner ist für den Ladeluftstrom oder einen Teil hiervon ein ventilgesteuert bei Bedarf zur Verfügung stehender Bypass B vorgesehen, welcher parallel zum Motor N/1 verläuft und Ladeluft an demselben vorbei führen kann. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, ist nach der zweiten Stufe 2" des Abgaskühlers 2 ein Kondensatabsch eider 3 vorgesehen, mit Hilfe dessen Kondensat aus dem kalten rückgeführten Abgas entfernt werden kann bevor es mit der an¬ gesaugten Frischluft vermischt wird. Vorliegend ist - obwohl nicht näher dar¬ gestellt - direkt vor dem Verdichter V ein weiterer Kondensatabscheider an¬ geordnet, insbesondere ein Fliehkraftabscheider wie zuvor unter Bezugnah¬ me auf die Figuren 9 oder 10 beschrieben.
Zur Entsorgung des sich ansammelnden Kondensats, welches als Gefahr¬ stoff einzustufen ist und deshalb nicht an Bord eines Fahrzeugs gespeichert werden kann, ist eine thermische Kondensatentsorgung 30 vorgesehen. Hierbei lassen sich mit Hilfe eines mehrstufigen thermischen Reaktors die gebildeten Säuren in unkritische Komponenten umwandeln. Zudem lässt sich das gebildete Kondensat für die Vorkühlung des rückgeführten Abgases nutzen.
Ein Beispiel der Anordnung einer derartigen Kondensatentsorgung 30 in ei¬ ner Niederdruck-Abgasrückführung ist in den Figuren 12 und 13 schematisch dargestellt. Hierbei wird Kondensat, das sich am Abgaskühler 2, vor dem Verdichter V und im oder nach dem Ladeluftkühler L sammelt über Leitun¬ gen zu einem zentralen Kondensatsammler 31 geführt, von dem aus es über eine Leitung einem thermischen Reaktor 32 zugeführt wird , der Teil der thermischen Kondensatentsorgung 30 ist. Der thermische Reaktor 32 ist nachfolgend an das Filter F in einem Auspuffkrümmer des Motors integriert angeordnet. Die das Kondensat führenden Leitungen, insbesondere die Lei¬ tung vom Kondensatsammler 31 zum thermischen Reaktor 32, weisen vor¬ liegend einen Querschnitt auf, welcher eine Förderung des Kondensats in Folge von Kapillarkräften ermöglicht, so dass auf Pumpen verachtet werden kann. Zudem ist vorliegend keine wesentliche Speicherung des anfallenden Kondensats im Motorsystem vorgesehen, sondern das Kondensat wird wei- testgehend direkt weitergeleitet zum thermischen Reaktor 32, hierin erhitzt und anschließend abgegeben.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich, wird das Kondensat in einer ersten Stufe S1 zur Kühlung des rückgeführten Abgases verwendet, wofür ein entsprechend ausgebildeter Wärmetauscher die erste Stufe 2' des Abgaskü hlers 2 bildet, also vor dem Eintritt des eigentlichen Abgaskühlers 2 angeordnet ist, so dass im Wesentlichen die gesamte Enthalpie-Änderung des Kondensats für die erste Stufe S 1 der Abkühlung des Abgases genutzt werden kann. Hierbei erfolgt eine Erwärmung des Kondensats. Für einen guten Wärmeübergang sind Rippen oder entsprechende, die Oberflächen vergrößernde Maßnah¬ men zur Optimierung der Wärmeübertragung der Abgaswärme auf das Kon¬ densat vorgesehen.
In einer zweiten Stufe S2 erfolgt die Verdampfung des erwärmten Konden¬ sats, wobei die weitere Erwärmung vorliegend mittels eines selbstregelnden PTC-Heizelernents (Positive Thermal Coefficient) auf ca. 250 bis 3000C er¬ folgt, und in einer dritten Stufe S3 erfolgt eine Nacherhitzung auf 350 bis 4500C. Dabei ist unabhängig vom Motorbetriebszustand ausreichend Ener¬ gie vorhanden, um das PTC-Heizelement zu betätigen. Ferner ist das PTC- Heizelement derart ausgebildet, dass es selbsttätig abregelt, wenn kein Kondensat angefallen ist. Die Resterhitzung des verdampften Kondensats in der dritten Stufe erfolgt vorliegend mit Hilfe eines elektrisch beheizten Rohr¬ heizkörpers, der eine Oberflächentemperatur von 350 bis 450° C und Einbau¬ ten oder Füllkörper mit großer Oberfläche und ggf. katalytischer Wirkung aufweist.
Auf Grund der Temperaturen der zweiten und dritten Stufe S2 und S3 zer¬ setzt sich Salpetersäure in NO2, N2, H2O und O2 und Schwefelsäure bzw. schweflige Säure in H2O und SO2 bzw. SO3 nach den folgenden Reaktionen: 4 HNO3 -> 4 NO2 + 2 H2O + O2 4 HNO3 -> 2 N2 + 2 H2O + 5 O2 H2SO4 -> SO3 + H2O H2SO3 -> SO2 + H2O
Nach der dritten Stufe S3 wird das nunmehr ungefährliche Kondensat dem Abgasstrom zugeführt und über den Auspuff entsorgt.
Um sicherzustellen, dass keine unzulässigen MAK-Werte auftreten, kann ein Zusatzgebläse vorgesehen sein, welches unabhängig von der Funktion der Kondensatentsorgung 30 eine Einhaltung der Grenzwerte sicherstellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Anordnung, insbesondere Turboladeranordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, mit Abgasrückführung, wobei die An¬ ordnung einen Abgaskühler (2) und einen Ladeluftkühler (L) zur Küh¬ lung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft und ein Verdichter (V) zur Verdichtung der Ladeluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens einen Kondensatabscheider (3) aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kon¬ densatabscheider (3) ein Fliehkraft- oder Zyklonabscheider ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatabscheider (3) einen Turbulenzerzeuger (13) aufweist, der den Abgasstrom oder den Ladeluftstrom in Rotation versetzt, so dass sich zumindest ein Teil der Kondensattröpfchen an der Wand ablagert.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Turbulenzerzeuger (13) ein ringförmiger Kanal (14) mit einer Auslauf¬ öffnung für das Kondensat angeordnet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kon¬ densatabscheider (3) ein Filter ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass eine mehrstufige Kondensatabscheidung vorgese¬ hen ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass am Kondensatablauf (5) ein Sammelbehälter (7) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass ein Ventil (8) zur Drosselung des Λvbgasstroms oder des Ladeluftstroms vorgesehen ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass eine Pumpe (9) zum Absaugen des gesammelten Kondensats vorgesehen ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Kondensatabscheider (3) direkt nach dem Küh¬ ler, insbesondere dem Abgaskühler (2), angeordnet ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Kondensatabscheider (3) in einem Bereich an¬ geordnet ist, in welchem die Temperatur des Abgasstroms oder des Ladeluftstroms den Taupunkt erreicht oder unterschreitet.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Kondensatabscheider (3) m it der Welle (21) des Verdichters (V) gekoppelt oder fest verbunden ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kon¬ densatabscheider (3) einen Verdränger- oder Schleuderkörper (20) aufweist, der auf der Welle (21) drehfest angeordnet oder durch einen Bereich der Welle (21) gebildet ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger- oder Schleuderkörper (20) in normaler Strömungsrichtung der Ladeluft vor dem Laufrad (22) des Verdichters (V) angeordnet ist und den Ladeluftstrom um mindestens 90°, vorzugsweise um zweimal 180°, umlenkt.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Kondensatabscheider (3) in dem Verdichtergehäuse angeordnet und/oder in das Verdichtergehäuse integriert ausgebildet ist.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Anordnung eine thermische Kondensatentsor¬ gung (30) aufweist.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kondensatentsorgung (30) mehrstufig ausgebildet ist.
18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kondensatentsorgung (30) mit mehreren Kondensatab¬ scheidern (3) über Leitungen verbunden ist.
19. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, insbesondere eines Kraft¬ fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, bei welchem Abgas rückge¬ führt und der Ladeluft zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas oder die Ladeluft in einem Bereich, in welchem das Abgas oder die Ladeluft eine Temperatur aufweist, welche dem Taupunkt ent¬ spricht oder denselben unterschreitet, umgelenkt oder durch einen Fil¬ ter geleitet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen in gerader Richtung strömende Abgasstrom oder der Luftstrom in einem Bereich direkt nach einem Küh ler, insbesondere ei¬ nem Abgaskühler, umgelenkt oder durch den Filter geleitet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer Geschwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung beauf¬ schlagt werden, so dass der Längsbewegung eine Rotationsbewegung überlagert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeich¬ net, dass die mittlere tangentiale Geschwindigkeitskomponente min¬ destens so groß ist wie die mittlere Geschwindigkeitskomponente in Längsrichtung.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, d adurch gekennzeich¬ net, dass die mittlere tangentiale Geschwindigkeitskomponente min¬ destens doppelt so groß ist wie die mittlere Geschwindigkeitskompo¬ nente in Längsrichtung.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, d adurch gekennzeich¬ net, dass sich an einem Verdränger- oder Schleuderkörper (20) sam¬ melndes Kondensat mittels Fliehkraft nach außen geschleudert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeich¬ net, dass das Kondensat mittels einer thermischen Kondensatentsor¬ gung (30) verdampft wird, die im Kondensat enthaltenen Säuren um¬ gewandelt werden und der entstandene Dampf und/oder die Gase wie¬ der dem Abgasstrom zugeführt werden.
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