EP2171245A1 - Vorrichtung zur kühlung von rückgeführtem abgas eines verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung zur kühlung von rückgeführtem abgas eines verbrennungsmotors

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EP2171245A1
EP2171245A1 EP08784703A EP08784703A EP2171245A1 EP 2171245 A1 EP2171245 A1 EP 2171245A1 EP 08784703 A EP08784703 A EP 08784703A EP 08784703 A EP08784703 A EP 08784703A EP 2171245 A1 EP2171245 A1 EP 2171245A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
exhaust gas
cooling
coolant
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08784703A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Pantow
Georg Feldhaus
Simon Edwards
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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
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP2171245A1 publication Critical patent/EP2171245A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/24—Layout, e.g. schematics with two or more coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/09—Constructional details, e.g. structural combinations of EGR systems and supercharger systems; Arrangement of the EGR and supercharger systems with respect to the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/25—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses
    • F02M26/26—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses characterised by details of the bypass valve

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling recirculated exhaust gas of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a motor vehicle with a device according to the invention.
  • EP 1 091 113 B1 describes an exhaust gas recirculation system for a diesel engine, in which, in a variant according to FIG. 2, a first exhaust gas cooler and a second exhaust gas cooler following it are provided.
  • the first radiator is connected to the cooling circuit of the engine and the second radiator to a low-temperature cooling circuit of the engine.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, in particular as gasoline engine with a direct fuel injection and / or a variable valve train.
  • exhaust gas recirculation can be useful not only to reduce pollutant emissions, especially nitrogen oxides (NOx), but also to optimize fuel consumption and thus reduce carbon dioxide.
  • NOx nitrogen oxides
  • a reduction in the combustion temperature is desired in order to be able to choose the ignition point more favorably due to the resulting lower tendency to knock.
  • the function of temperature protection which makes it possible to dispense in many areas with a consumption-intensive enrichment of the mixture, is added. Since the highest temperatures occur in the full load range in conjunction with the highest mass flows, the exhaust gas cooling must have a high maximum performance.
  • the exhaust gas recirculation is used in particular in the charged gasoline engine (suction at partial load) in the main of a Entdrosselung the engine.
  • the cooling of the recirculated exhaust gas should prevent sufficient knocking only. A cooling beyond this would again lead to a stronger throttling and / or a deterioration of the mixture preparation.
  • Another disadvantage of excessive exhaust gas cooling in the partial load range can be attributed to consist of the condensate.
  • the device according to the invention is thus particularly advantageous in the exhaust gas recirculation, in particular in the case of turbocharged gasoline engines, since it allows a high maximum cooling capacity for the full load range with adjustable low cooling capacity in the partial load range to optimize fuel consumption.
  • the first heat exchanger is not adjustable adjustable in its cooling capacity. This also has the advantage that a minimum cooling capacity is reliably available due to the simple design of the first heat exchanger and can not be adversely affected by a malfunction of a control element.
  • the control element comprises an exhaust valve for controlling the exhaust gas flow.
  • a controllable by the control element bypass channel for at least partially bypassing the second heat exchanger is provided.
  • the cooling of the exhaust gas flow can be changed particularly quickly and in a wide range by partially or completely diverting to the bypass duct.
  • the control element can be designed so that by means of the control element both a guide of the exhaust gas flow through the bypass channel is adjustable and the entire size of the recirculated exhaust gas flow.
  • the control member comprises a coolant valve for adjustably controlling a coolant flow of the second heat exchanger.
  • a cooling capacity control by influencing the coolant flow allows, inter alia, a particularly compact design of the heat exchanger and is structurally particularly simple and reliable realized.
  • the control member may comprise a thermostatic valve, with particular preference the thermostatic valve has an adjustable control behavior, in particular by means of an electrical heating element. Such controllable in their control characteristics thermostatic valves are also referred to as map thermostats.
  • thermostatic valve Such controllable in their control characteristics thermostatic valves are also referred to as map thermostats.
  • a negligible for the heat exchange residual flow may well be provided to obtain a constant information about the temperature in the second heat exchanger and to allow a rapid response of the thermostat to an increasing heat input through the exhaust gas.
  • At least one of the heat exchangers can be connected to a main cooling circuit of the internal combustion engine, whereby a flowing coolant for indirect exhaust gas cooling is provided in a simple manner.
  • both the first and the second heat exchanger are connected to a main cooling circuit of the internal combustion engine.
  • At least one of the heat exchangers, in particular the second heat exchanger can also be connected to a low-temperature coolant circuit.
  • a low temperature circuit allows the cooling of the recirculated exhaust gas to temperatures well below the typical temperature of the engine cooling circuit.
  • a separate air-circulated cooler of the low-temperature cooling circuit is regularly provided.
  • the first heat exchanger with respect to exhaust gas flow and coolant flow is operated in DC.
  • lower wall temperatures occur in the inlet region of the exhaust gas. temperatures, which reduces the risk of local boiling of the coolant.
  • the second heat exchanger is operated countercurrently with respect to the exhaust gas flow and the coolant flow. Since the exhaust gas flow is already pre-cooled when entering the second heat exchanger and no longer has extreme temperatures, there is hardly any risk of boiling of the coolant in the second heat exchanger, so that the effective variant of countercurrent cooling is available for the second heat exchanger.
  • the device according to the invention can be used particularly advantageously with an internal combustion engine, which has a fresh gas charge, in particular an exhaust gas turbocharger, due to the aforementioned problem.
  • a charge air cooler of the fresh gas charge and at least the second heat exchanger can have a common coolant circuit, in particular a low-temperature coolant circuit.
  • first heat exchanger and the second heat exchanger are designed as an integrated structural unit.
  • the invention also includes a motor vehicle, in particular passenger cars, with a device according to one of claims 1 to 18.
  • Gasoline engines are widely used in passenger cars, with increasing demands on pollutant emissions and consumption optimization are made. Further advantages and features of the invention will become apparent from the embodiments described below and from the dependent claims.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the cooling system of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an inventive
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the device according to the invention from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the device according to the invention from FIG. 2.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the device according to the invention from FIG. 2.
  • FIG. 6 shows the diagram of a control characteristic of the control element of the device from FIG. 5.
  • Fig. 1 a known from the prior art arrangement of a trained as a gasoline engine 1 internal combustion engine with exhaust gas recirculation is shown.
  • the internal combustion engine 1 has a mixture inlet on the inlet side with a throttle valve 2 and on the outlet side an exhaust pipe with a branch 4 arranged upstream of an exhaust gas turbocharger 3.
  • the exhaust gas stream branched off at the branch 4 flows through an indirectly cooled exhaust gas cooler 5 and is adjustable in size via an adjustable exhaust valve 6.
  • a charge air cooler 13 is provided between the exhaust gas turbocharger and the throttle valve in a known manner, which is designed here as a direct, air-flow-cooled heat exchanger.
  • indirect cooling is meant here that the exhaust gas cooler 5 is flowed through by a liquid coolant.
  • the main cooling circuit comprises a water pump 9, a coolant radiator 10 with fan 10a and an engine bypass 11, which is connected via a thermostat 12 for shortening a warm-up phase of the engine.
  • FIG. 1 With regard to the arrangement of the exhaust gas cooler 5, which is parallel to the engine 1, the representation according to FIG. 1 can only be understood schematically. Additional means for controlling the coolant branches may be provided, such as a second water pump in the exhaust gas cooler branch, fixed throttle or adjustable throttle valves.
  • FIG. 2 comprises - with otherwise identical configuration of the internal combustion engine 1 - instead of the individual exhaust gas cooler 5 of FIG. 1 an arrangement of several heat exchangers, wherein a first heat exchanger 14 and downstream of the exhaust gas flow, a second heat exchanger 15 in series arranged one after the other.
  • Each of the two heat exchangers 14, 15 is designed as an indirect exhaust gas cooler and has ports 14a, 14b and 15a, 15b for the respective supply and discharge of a liquid coolant.
  • both heat exchangers 14, 15 are connected to the main cooling circuit of the engine 1. Depending on the requirements, the connection can be made separately for each cooler or by means of branches.
  • the first heat exchanger 14 operated in DC.
  • the incoming, particularly hot exhaust gas hits the entering, particularly cold coolant.
  • the coolant On the outlet side, the coolant has its highest temperature, but only meets partially cooled exhaust gas, so that the risk of local overheating is low.
  • the second heat exchanger 15 can be operated in direct current, so that incoming coolant encounters escaping exhaust gas, or else in countercurrent (see directional arrows at the connections 14a, 14b, 15a, 15b).
  • Fig. 2 is schematically indicated that the first heat exchanger 14 is not adjustable in its cooling capacity and thus constantly provides its maximum power. Although this can fluctuate, for example during a warm-up phase of the engine 1, it does not represent a specifically controllable variable.
  • control member 16 shown in Fig. 2 only schematically
  • This can be reacted to various operating conditions of the engine, such as partial load or full load operation.
  • supercharged gasoline engines are usually in the suction mode, so that a de-throttling of the engine is carried out by a recirculated exhaust gas flow.
  • the temperature of the recirculated exhaust gas should not be so low that the effect of Entdrosselung is counteracted or even condensation occurs in the exhaust gas. Rather, the temperature should just be so low that knocking is avoided and there is sufficient freedom to set the ignition timing.
  • FIG. 3 shows a first concrete exemplary embodiment of the device shown only schematically in FIG. 2.
  • the second heat exchanger 15 comprises a bypass channel 15a, via which the exhaust gas stream can flow selectably selectable.
  • the control member 16 is designed as an exhaust valve, in the present case in the form of a 3-way valve, and arranged in front of the second heat exchanger 15 and the bypass channel parallel thereto.
  • the control member 16 is arranged downstream of the first heat exchanger, so that the input side, the entire cooled in the first heat exchanger exhaust gas stream enters the control member 16.
  • the partial flow of the exhaust gas conducted via the regulating member 16 onto the bypass 15a is not or only insignificantly cooled.
  • the total size of the recirculated exhaust gas flow may also be adjustable via the 3-way valve, for example by adjustable alteration of the minimum cross section of the supply line from the first heat exchanger 14 to the second heat exchanger 15.
  • the embodiment shown in Fig. 4 is a modification of the embodiment of Fig. 3.
  • the control member 16 for controlling the cooling capacity of the second heat exchanger 15 is also an exhaust valve.
  • the exhaust gas valve 16 is structurally designed such that the total amount of recirculated exhaust gas and the guidance of the exhaust gas can be adjusted either via the second heat exchanger or the bypass channel by means of a single valve spool 17. In the arrangement shown, this is done by the valve spool 17, depending on the deflection from a central position a more or less large cross section of a coming out of the first heat exchanger supply line 18 releases, whereby the total current regulated becomes. In the middle position of the valve spool 17 closes the supply line 18.
  • a deflection to one side passes the so-passed exhaust gas flow through the bypass passage and a deflection from the center position to the other side directs the exhaust gas to Cooling by the second heat exchanger 15. It is understood that depending on detail design, other flow paths of such a structurally optimized exhaust valve are possible.
  • bypass channel 15 a is integrated with the heat exchanger 15.
  • Such integrated types of bypass duct and exhaust gas heat exchanger are known from the prior art.
  • the first heat exchanger 14 and the second heat exchanger 15 can form an integrated structural unit, wherein in the present example the control member 16 forms a connecting element between the heat exchangers 14, 15 by means of a housing-like outer wall 19.
  • the Regelied 16 is designed to adjust the cooling capacity of the second heat exchanger as an output side, so arranged in the return coolant valve of the second heat exchanger. Depending on the thus adjustable coolant flow through the second heat exchanger thus a variable cooling capacity for the exhaust gas flow is adjusted.
  • the control member 16 is designed as a fast map thermostat.
  • a map thermostat comprises an electric heater, by means of which the control characteristics can be influenced to a certain extent depending on the requirements.
  • the second heat exchanger 15 is not or only slightly flowed through by coolant and at high loads, the flow of coolant through the thermostat 16 is released.
  • the thermostat also allows a small leakage flow in the closed state to allow a quick opening and to obtain information about the load condition of the engine via the outlet-side coolant temperature. There is a monotone relationship between load and coolant temperature. As the beginning of the opening for the thermostat, a temperature is suitably selected, which is above the expected for the part-load operation coolant temperatures.
  • the main thermostat 12 of the engine cooling circuit regulates the coolant temperature to a minimum of 85 0 C.
  • map control up to 110 0 C are allowed in partial load. From this, a temperature between about 90 0 C and 115 0 C. arises for the start of opening of the thermo- mostats 16 of the second heat exchanger 15 in order to ensure a good control, should the flow rate after start of opening approximately linearly increase with temperature. The maximum opening should be at a temperature that still allows a further increase in temperature through the heat exchanger 15.
  • the second heat exchanger 15 is connected via its connections 15a, 15b to a separate low-temperature coolant circuit (not shown).
  • this low-temperature coolant circuit also cools an indirect intercooler.
  • a radiator for dissipating the heat of the low-temperature coolant to the surroundings is arranged in front of the vehicle in front of the coolant radiator 10 (not shown).
  • a coolant control As in Fig. 5 would be provided corresponding to the lower temperatures of Fig. 6 deviating control characteristics of the thermostat.
  • a device according to the invention has both a power control via an exhaust valve and a bypass as well as a power control via a coolant valve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Verbrennungsmotors (1), umfassend einen ersten, von dem rückgeführten Abgas durchströmbaren Wärmetauscher (14) zur Kühlung des Abgases, und zumindest einen zweiten, von dem rückgeführten Abgas durchströmbaren Wärmetauscher (15) zur Kühlung des Abgases, wobei der zweite Wärmetauscher (15) stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, wobei ein Regelglied (16) vorgesehen ist, mittels dessen eine auf den Abgasstrom wirkende Kühlleistung zumindest des zweiten Wärmetauschers (15) einstellbar regelbar ist.

Description

Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
EP 1 091 113 B1 beschreibt ein Abgas-Rückführsystem für einen Dieselmotor, bei dem in einer Variante gemäß Figur 2 ein erster Abgaskühler und ein diesem nachfolgender, zweiter Abgaskühler vorgesehen ist. Der erste Kühler ist dabei an den Kühlkreislauf des Motors angeschlossen und der zweite Kühler an einen Niedertemperaturkühlkreislauf des Motors.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung von rückge- führtem Abgas eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei der mit einfachen Mitteln eine Leistungsregelung der Abgaskühlung zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors erreicht wird.
Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsge- maß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Möglichkeit der Leistungsregelung zumindest des zweiten Wärmetauschers können besondere Anforderungen an die Temperatur des dem Motor zugeführten Abgases erfüllt werden. Diese können vor allem von dem Betriebszustand des Motors abhängen und hier in besonderem Maß von der anliegenden Last. Die Erfindung ist dabei nicht auf zwei nacheinander angeordnete Wärmetauscher beschränkt, sondern umfasst auch Anordnungen von mehr als zwei Wärmetauschern, wobei auch mehr als einer der Wärmetauscher in seiner Leistung geregelt sein kann.
In vorteilhafter Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor dabei als Ottomotor ausgebildet ist, insbesondere als Ottomotor mit einer direkten Kraft- Stoffeinspritzung und/oder einem variablem Ventiltrieb. Bei einem solchen Ottomotor kann eine Abgasrückführung nicht nur zur Reduzierung von Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxiden (NOx), sondern auch zur Verbrauchsoptimierung und somit Reduzierung von Kohlendioxid sinnvoll sein. Dabei stellt sich die besondere Problematik, dass eine möglichst weit- gehende Kühlung des rückgeführten Abgases nur bei hoher oder voller Last gewünscht ist. Hierbei ist eine Absenkung der Verbrennungstemperatur gewünscht, um aufgrund resultierender geringerer Klopfneigung den Zündzeitpunkt verbrauchsgünstiger wählen zu können. Bei sehr hohen Lasten kommt noch die Funktion des Temperaturschutzes hinzu, der es ermöglicht, in wei- ten Bereichen auf ein verbrauchsintensives Anfetten des Gemisches zu verzichten. Da im Volllastbereich die höchsten Temperaturen in Verbindung mit den höchsten Massenströmen auftreten, muss die Abgaskühlung eine hohe maximale Leistung aufweisen.
Im unteren Lastbereich bzw. bei Teillast dient die Abgasrückführung insbesondere beim aufgeladenen Ottomotor (Saugbetrieb bei Teillast) in der Hauptsache einer Entdrosselung des Motors. Die Kühlung des rückgeführten Abgases soll dabei nur ein Klopfen ausreichend verhindern. Eine hierüber hinausgehende Kühlung hätte wieder eine stärkere Drosselung und/oder eine Verschlechterung der Gemischaufbereitung zur Folge. Ein weiterer Nachteil einer zu starken Abgaskühlung im Teillastbereich kann in anfallen- dem Kondensat bestehen. Insgesamt ist somit bei der Abgasrückführung insbesondere im Fall von aufgeladenen Ottomotoren die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft, da sie eine hohe maximale Kühlleistung für den Volllastbereich mit einstellbar niedriger Kühlleistung im Teillastbe- reich zur Optimierung der Verbrauchsreduzierung ermöglicht.
Im Interesse einer kostengünstigen Vereinfachung der Vorrichtung ist der erste Wärmetauscher nicht in seiner Kühlleistung einstellbar regelbar. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine Mindestkühlleistung aufgrund der einfa- chen Konstruktion des ersten Wärmetauschers zuverlässig zur Verfügung steht und nicht durch eine Fehlfunktion eines Regelglieds beeinträchtigt werden kann.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Regelglied ein Abgasventil zur Steuerung des Abgasstroms. Vorteilhaft ist dabei ein von dem Regelglied ansteuerbarer Bypasskanal zur zumindest teilweisen Umgehung des zweiten Wärmetauschers vorgesehen. Hierdurch ist die Kühlung des Abgasstroms durch teilweises oder vollständiges Umleiten auf den Bypasskanal besonders schnell und in weitem Bereich verän- derbar. Bei einer bauraum- und kostenoptimierten Detailgestaltung kann das Regelglied dabei so ausgelegt sein, dass mittels des Regelglieds sowohl eine Führung des Abgasstroms durch den Bypasskanal einstellbar ist als auch die gesamte Größe des rückgeführten Abgasstroms.
Bei einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform umfasst das Regelglied ein Kühlmittelventil zur einstellbaren Steuerung eines Kühlmittelstroms des zweiten Wärmetauschers. Eine Kühlleistungsregelung durch Beeinflussung des Kühlmittelstroms ermöglicht unter anderem eine besonders kompakte Bauweise des Wärmetauschers und ist konstruktiv besonders ein- fach und betriebssicher realisierbar. Auf einfache Weise kann das Regelglied dabei ein Thermostatventil umfassen, wobei insbesondere bevorzugt das Thermostatventil ein einstellbares Regelverhalten aufweist, insbesondere mittels eines elektrischen Heizelements. Solche in ihrer Regelcharakteristik beeinflussbaren Thermostatventile werden auch als Kennfeld- Thermostate bezeichnet. In einer Detailgestaltung wird der zweite Wärme- tauscher in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors im Wesentlichen nicht von einem Kühlmittel durchströmt, so dass gerade im Teillastbetrieb eine reduzierte Kühlleistung des Gesamtsystems vorliegt. Eine für den Wärmetausch vernachlässigbare Restströmung kann dabei durchaus vorgesehen sein, um eine ständige Information über die Temperatur im zweiten Wärmetauscher zu erhalten und um ein schnelles Ansprechen des Thermostaten auf einen ansteigenden Wärmeeintrag durch das Abgas zu ermöglichen.
Allgemein vorteilhaft kann zumindest einer der Wärmetauscher an einen Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden sein, wodurch auf einfache Weise ein strömendes Kühlmittel zur indirekten Abgaskühlung bereitgestellt ist. In besonders einfacher und zugleich effektiver Bauweise sind dabei sowohl der erste als auch der zweite Wärmetauscher an einen Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch zumindest einer der Wärmetauscher, insbesondere der zweite Wärmetauscher, an einen Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf angebunden sein. Ein solcher Niedertemperaturkreislauf ermöglicht die Kühlung des rückgeführten Abgases auf Temperaturen, die deutlich unter der typischen Temperatur des Motor-Kühlkreislaufs liegen. Regelmäßig ist in diesem Fall ein separater luftumströmter Kühler des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs vorgesehen.
Bei einer vorteilhaften Detailgestaltung der Erfindung wird der erste Wärme- tauscher bezüglich Abgasstrom und Kühlmittelstrom im Gleichstrom betrieben. Hierdurch treten im Eintrittsbereich des Abgases geringere Wandtem- peraturen auf, was die Gefahr eines lokalen Siedens des Kühlmittels verringert.
Weiterhin bevorzugt wird der zweite Wärmetauscher bezüglich Abgasstrom und Kühlmittelstrom im Gegenstrom betrieben. Da der Abgasstrom bei Eintritt in den zweiten Wärmetauscher bereits vorgekühlt ist und keine extremen Temperaturen mehr aufweist, besteht im zweiten Wärmetauscher kaum noch die Gefahr eines Siedens des Kühlmittels, so dass die effektive Variante einer Gegenstromkühlung für den zweiten Wärmetauscher zur Verfügung steht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aufgrund der eingangs genannten Problematik besonders vorteilhaft mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, der eine Frischgasaufladung, insbesondere einen Abgasturbolader, aufweist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können dabei ein Ladeluftkühler der Frischgasaufladung und zumindest der zweite Wärmetauscher einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, insbesondere einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf, aufweisen.
Allgemein vorteilhaft ist es im Interesse einer Minimierung von Bauteilen und optimaler Nutzung von Bauraum vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher als integrierte bauliche Einheit ausgebildet sind.
Die Erfindung umfasst zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18. Gerade bei Personenkraftwagen sind Ottomotoren weit verbreitet, wobei zunehmende Anforderungen an die Schadstoffemission und die Verbrauchsoptimierung gestellt werden. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 2. Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 2.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 2.
Fig. 6 zeigt das Diagramm einer Regelcharakteristik des Regelglieds der Vorrichtung aus Fig. 5.
In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung eines als Ottomotor 1 ausgebildeten Verbrennungsmotors mit Abgas-Rückführung gezeigt. Der Verbrennungsmotor 1 hat einlassseitig eine Gemischzuführung mit einer Drosselklappe 2 und auslassseitig eine Abgasleitung mit einem vor einem Abgasturbolader 3 angeordneten Abzweig 4. Der am Abzweig 4 abgezweigte Abgasstrom durchströmt einen indirekt gekühlten Abgaskühler 5 und ist über ein einstellbares Abgasventil 6 in seiner Größe regelbar. Einlassseitig ist zwischen dem Abgasturbolader und der Drosselklappe auf be- kannte Weise ein Ladeluftkühler 13 vorgesehen, der vorliegend als direkter, luftstromgekühlter Wärmetauscher ausgebildet ist. Mit dem Begriff der indirekten Kühlung ist vorliegend gemeint, dass der Abgaskühler 5 von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt ist. Dieses ist über Abzweige 7, 8 mit einem Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors 1 ver- bunden. Der Hauptkühlkreislauf umfasst eine Wasserpumpe 9, einen Kühlmittelkühler 10 mit Lüfter 10a sowie einen Motorbypass 11 , der über eine Thermostatregelung 12 zur Verkürzung einer Warmlaufphase des Motors angebunden ist.
Hinsichtlich der zum Motor 1 parallelen Anordnung des Abgaskühlers 5 ist die Darstellung nach Fig. 1 nur schematisch zu verstehen. Es können zusätzliche Mittel zur Steuerung der Kühlmittelzweige vorgesehen sein, wie etwa eine zweite Wasserpumpe im Abgaskühlerzweig, Festdrosseln oder einstellbare Drosselventile.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst - bei sonst gleicher Konfiguration des Verbrennungsmotors 1 - anstelle des einzelnen Abgaskühlers 5 aus Fig. 1 eine Anordnung von mehreren Wärmetauschern, wobei ein erster Wärmetauscher 14 und hinsichtlich des Abgasstroms stromabwärts ein zweiter Wärmetauscher 15 in Reihe nacheinander angeordnet sind.
Jeder der beiden Wärmetauscher 14, 15 ist als indirekter Abgaskühler ausgebildet und hat Anschlüsse 14a, 14b bzw. 15a, 15b zur jeweiligen Zufüh- rung und Abführung eines flüssigen Kühlmittels. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind beide Wärmetauscher 14, 15 an den Hauptkühlkreislauf des Motors 1 angebunden. Die Anbindung kann je nach Anforderung für jeden der Kühler separat erfolgen oder auch mittels Verzweigungen.
Um ein lokales Sieden bzw. Überhitzen des flüssigen Kühlmittels im ersten Wärmetauscher 14 möglichst zu verhindern, wird der erste Wärmetauscher im Gleichstrom betrieben. Hierdurch trifft das eintretende, besonders heiße Abgas auf das eintretende, besonders kalte Kühlmittel. Austrittsseitig hat das Kühlmittel seine höchste Temperatur, trifft aber nur noch auf teilweise gekühltes Abgas, so dass die Gefahr einer lokalen Überhitzung gering ist.
Der zweite Wärmetauscher 15 kann je nach Anforderungen im Gleichstrom betrieben werden, so dass eintretendes Kühlmittel auf austretendes Abgas trifft, oder auch im Gegenstrom (siehe Richtungspfeile an den Anschlüssen 14a, 14b, 15a, 15b).
In Fig. 2 ist schematisch angedeutet, dass der erste Wärmetauscher 14 nicht in seiner Kühlleistung regelbar ist und somit ständig seine maximale Leistung bereitstellt. Diese kann zwar, zum Beispiel während einer Warmlaufphase des Motors 1 , schwanken, stellt aber keine gezielt regelbare Größe dar.
Dagegen ist der nachfolgende zweite Wärmetauscher 15 in seiner Kühlleistung mittels eines Regelglieds 16 (in Fig. 2 nur schematisch dargestellt) einstellbar veränderbar. Hierdurch kann auf verschiedene Betriebszustände des Motors reagiert werden, etwa Teillast- oder Volllastbetrieb.
Bei Teillast befinden sich aufgeladene Ottomotoren meist im Saugbetrieb, so dass durch einen rückgeführten Abgasstrom eine Entdrosselung des Motors erfolgt. Die Temperatur des rückgeführten Abgases sollte dabei nicht so niedrig sein, dass dem Effekt der Entdrosselung entgegengewirkt wird oder sogar eine Kondensation im Abgas auftritt. Vielmehr sollte die Temperatur gerade nur so niedrig sein, dass ein Klopfen vermieden wird und ausreichende Freiheit für die Einstellung des Zündzeitpunkts besteht.
Bei Volllast ist dagegen eine maximale Kühlung des rückgeführten Abgases erwünscht, so dass der zweite Wärmetauscher 15 in diesem Betriebsbereich meist seine maximale Kühlleistung bereitstellen soll. Fig. 3 zeigt ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 nur schematisch dargestellten Vorrichtung. Dabei umfasst der zweite Wärmetauscher 15 einen Bypasskanal 15a, über die der Abgasstrom einstellbar wählbar strömen kann. Das Regelglied 16 ist als Abgasventil, vorliegend in Form eines 3-Wege-Ventils, ausgebildet und vor dem zweiten Wärmetauscher 15 und dem hierzu parallelen Bypasskanal angeordnet. Das Regelglied 16 ist dem ersten Wärmetauscher nachgeordnet, so dass eingangsseitig der gesamte im ersten Wärmetauscher gekühlte Abgasstrom in das Regelglied 16 eintritt.
Der über das Regelglied 16 auf den Bypass 15a geleitete Teilstrom des Abgases wird nicht oder nur unwesentlich gekühlt. Je höher der Anteil des By- passstroms, desto kleiner ist die Kühlleistung, die der zweite Wärmetauscher auf den rückgeführten Abgasstrom ausübt.
Über das 3-Wege-Ventil kann auch die Gesamtgröße des rückgeführten Abgasstroms einstellbar sein, zum Beispiel durch einstellbare Veränderung des minimalen Querschnitts der Zuleitung vom ersten Wärmetauscher 14 zum zweiten Wärmetauscher 15.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung der Ausführung aus Fig. 3. Das Regelglied 16 zur Regelung der Kühlleistung des zweiten Wärmetauschers 15 ist ebenfalls ein Abgasventil. Vorliegend ist das Ab- gasventil 16 konstruktiv so ausgebildet, dass die Gesamtmenge des rückgeführten Abgases sowie die Führung des Abgases entweder über den zweiten Wärmetauscher oder den Bypasskanal mittels eines einzigen Ventilschiebers 17 einstellbar ist. In der gezeigten Anordnung erfolgt dies durch den Ventilschieber 17, der je nach Auslenkung aus einer Mittelposition einen mehr oder weniger großen Querschnitt einer aus dem ersten Wärmetauscher kommenden Zuleitung 18 freigibt, wodurch der Gesamtstrom geregelt wird. In der Mittelposition verschließt der Ventilschieber 17 die Zuleitung 18. Eine Auslenkung zur einen Seite (Auslenkung wie in Fig. 4 dargestellt nach links) leitet den so durchgelassenen Abgasstrom durch den Bypasskanal und eine Auslenkung aus der Mittelposition zur anderen Seite leitet den Abgas- ström zur Kühlung durch den zweiten Wärmetauscher 15. Es versteht sich, dass je nach Detailgestaltung auch andere Strömungswege eines solchen konstruktiv optimierten Abgasventils möglich sind.
Weiterhin ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 der Bypasskanal 15a integriert mit dem Wärmetauscher 15 ausgebildet. Solche integrierten Bauarten von Bypasskanal und Abgas-Wärmetauscher sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Wie in Fig. 4 schematisch angedeutet, können erster Wärmetauscher 14 und zweiter Wärmetauscher 15 eine integrierte bauliche Einheit bilden, wobei im vorliegenden Beispiel das Regelglied 16 mittels einer gehäuseartigen Außenwand 19 ein Verbindungselement zwischen den Wärmetauschern 14, 15 ausbildet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei ist das Regelied 16 zur Einstellung der Kühlleistung des zweiten Wärmetauschers als ausgangsseitiges, also im Rücklauf angeordnetes Kühlmittelventil des zweiten Wärmetauschers ausgebildet. Je nach hierdurch einstellbarem Kühlmitteldurchfluss durch den zweiten Wärmetauscher wird somit eine vari- able Kühlleistung für den Abgasstrom eingestellt.
Das Regelglied 16 ist als schneller Kennfeld-Thermostat ausgebildet. Ein Kennfeld-Thermostat umfasst eine elektrische Heizung, mittels derer die Regelcharakteristik je nach Anforderungen in gewissem Rahmen beeinflussbar ist. Bei niedrigen Lasten des Motors wird der zweite Wärmetauscher 15 nicht oder nur wenig von Kühlmittel durchströmt und bei hohen Lasten wird der Kühlmittelfluss durch das Thermostat 16 freigegeben. Der Thermostat lässt auch im geschlossenen Zustand eine kleine Leckageströmung durch, um ein schnelles Öffnen zu ermöglichen und über die austrittsseitige Kühlmitteltemperatur eine Information über den Lastzustand des Motors zu erhalten. Dabei besteht ein monotoner Zusammenhang zwischen Last und Kühlmitteltemperatur. Als Öffnungsbeginn für den Thermostat wird zweckmäßig eine Temperatur gewählt, die oberhalb der für den Teillastbetrieb zu erwartenden Kühlmitteltemperaturen liegt.
Typisch regelt der Hauptthermostat 12 des Motorkühlkreislaufs die Kühlmitteltemperatur auf minimal 85 0C. Bei Kennfeldregelung werden in Teillast bis zu 110 0C zugelassen. Hieraus ergibt sich für den Öffnungsbeginn des Ther- mostats 16 des zweiten Wärmetauschers 15 eine Temperatur zwischen etwa 90 0C und 115 0C. Um eine gute Regelung zu gewährleisten, sollte der Durchfluss nach Öffnungsbeginn in etwa linear mit der Temperatur ansteigen. Die maximale Öffnung sollte bei einer Temperatur erfolgen, die noch eine weitere Temperaturerhöhung durch den Wärmetauscher 15 zulässt.
In Fig. 6 ist der von dem Thermostat 16 temperaturabhängig geregelte Kühlmittelfluss V/t über der Temperatur T aufgetragen.
Bei einer weiteren alternativen Ausführung, die ebenfalls mit den Darstellun- gen Fig. 2 bis Fig. 5 konform ist, ist der zweite Wärmetauschers 15 über seine Anschlüsse 15a, 15b an einen separaten Niedertemperatur- Kühlmittelkreis (nicht dargestellt) angebunden. Zweckmäßig kühlt dieser Niedertemperatur-Kühlmittelkreis zudem einen indirekten Ladeluftkühler. Ein Kühler zur Wärmeabgabe des Niedertemperatur-Kühlmittels an die Umge- bung ist im Frontbereich des Fahrzeugs vor dem Kühlmittelkühler 10 angeordnet (nicht dargestellt). Bei einer Ausführung mit einer Kühlmittelregelung wie in Fig. 5 wäre eine entsprechend der niedrigeren Temperaturen von Fig. 6 abweichende Regelcharakteristik des Thermostaten vorgesehen.
Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausfüh- rungsbeispiele sinnvoll miteinander kombiniert werden können. So kann es zum Beispiel vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl eine Leistungsregelung über ein Abgasventil und einen Bypass als auch eine Leistungsregelung über ein Kühlmittelventil aufweist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Verbrennungsmotors (1 ), umfassend einen ersten, von dem rückgeführten Abgas durchströmbaren Wärmetauscher (14) zur Kühlung des Abgases, und zumindest einen zweiten, von dem rückgeführten Abgas durchström- baren Wärmetauscher (15) zur Kühlung des Abgases, wobei der zweite Wärmetauscher (15) stromabwärts des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelglied (16) vorgesehen ist, mittels dessen eine auf den Abgasstrom wirkende Kühlleistung zumindest des zweiten Wärmetauschers (15) einstellbar regelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) als Ottomotor ausgebildet ist, insbesondere als Ottomotor mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung und/oder einem variablen Ventiltrieb.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (14) nicht in seiner Kühlleistung einstellbar regel- bar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelglied (16) ein Abgasventil zur Steuerung des Abgasstroms aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Regelglied (16) ansteuerbarer Bypasskanal (15a) zur zumindest teilweisen Umgehung des zweiten Wärmetauschers (15) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Regelglieds (16) sowohl eine Führung des Abgasstroms durch den Bypasskanal (15a), als auch die gesamte Größe des rückgeführten Abgasstroms einstellbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelglied (16) ein Kühlmittelventil zur einstellbaren Steuerung eines Kühlmittelstroms des zweiten Wärmetauschers (15) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelglied (16) ein Thermostatventil umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil (16) ein einstellbares Regelverhalten aufweist, ins- besondere mittels eines elektrischen Heizelements.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (15) in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors im Wesentlichen nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wärmetauscher (14, 15) an einen Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste als auch der zweite Wärmetauscher (14, 15) an einen Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest einer der Wärmetauscher (14, 15), insbesondere der zweite Wärmetauscher (15), an einen Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf angebunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (14) bezüglich Abgasstrom und Kühlmittelstrom im Gleichstrom betrieben wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (15) bezüglich Abgas- ström und Kühlmittelstrom im Gegenstrom betrieben wird.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) eine Frischgasaufladung, insbesondere einen Abgasturbolader (3), aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler der Frischgasaufladung und zumindest der zweite Wärmetauscher (15) einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, insbesondere einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf, aufweisen.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (14) und der zweite Wärmetauscher (15) als integrierte bauliche Einheit ausgebildet sind.
19. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
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