EP2888468A1 - Abgasrückführsystem für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführsystem für eine verbrennungskraftmaschine

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Publication number
EP2888468A1
EP2888468A1 EP13730869.8A EP13730869A EP2888468A1 EP 2888468 A1 EP2888468 A1 EP 2888468A1 EP 13730869 A EP13730869 A EP 13730869A EP 2888468 A1 EP2888468 A1 EP 2888468A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
line
gas recirculation
pressure
pressure wave
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Withdrawn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
EP13730869.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Breuer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP2888468A1 publication Critical patent/EP2888468A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/07—Mixed pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is either taken out upstream of the turbine and reintroduced upstream of the compressor, or is taken out downstream of the turbine and reintroduced downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers
    • 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
    • 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
    • F02M26/10—Constructional details, e.g. structural combinations of EGR systems and supercharger systems; Arrangement of the EGR and supercharger systems with respect to the engine having means to increase the pressure difference between the exhaust and intake system, e.g. venturis, variable geometry turbines, check valves using pressure pulsations or throttles in the air intake or exhaust system
    • 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
    • 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
    • F02M26/34—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with compressors, turbines or the like in the recirculation passage

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine having an exhaust pipe, an intake pipe, a turbocharger with a compressor disposed in the intake pipe and a turbine disposed in the exhaust pipe, o an exhaust gas recirculation pipe branching from the exhaust pipe downstream of the turbine and opens into the suction line downstream of the compressor and means for increasing the pressure of the exhaust gas in the exhaust gas recirculation line.
  • the high-pressure exhaust gas recirculation in which exhaust gas is taken in front of the turbine and fed back to the suction line downstream of the compressor, has the advantage of rapid controllability, but has, among other things, the problems that either the exhaust gas is introduced downstream of the charge air cooler, which leads to a reduced filling by increased temperatures or sooting of the intercooler arises. For this reason, mixing systems have been developed that are equipped with both a low-pressure exhaust line and a high-pressure exhaust line. However, this leads to an increased piping and thus installation effort, so that significantly higher costs.
  • an exhaust gas recirculation system with a high-pressure line and another exhaust gas recirculation line is known, which branches off behind an exhaust gas purification device and thus behind the turbine of the turbocharger and opens downstream of the compressor in the intake.
  • an exhaust gas pump driven by an electric motor is arranged in the exhaust gas recirculation train to overcome the pressure gradient.
  • clean exhaust gas can be made available to the internal combustion engine in a cooled state without fear of excessive inertia of the mass flow and temperature control.
  • the disadvantage is that additional drive power for the EGR pump must be introduced into the system, which reduces the overall efficiency.
  • pressure wave chargers has been tested as an alternative to the supercharging of internal combustion engines by exhaust gas turbochargers, which are particularly resistant to contamination by the exhaust gas, because due to the operation of a regular flushing of the chambers takes place by the fresh air to be compressed, so that a growing sooting not is afraid.
  • a pressure wave loader is described for example in DE 10 2010 049 361 AI. Due to the high pressure in the Exhaust line can be compressed in the chambers of the pressure wave supercharger exhaust gas to almost the pressure in the exhaust pipe so at the outlet of the cylinder. Special exhaust gas recirculation systems for such engines are not yet known.
  • an exhaust gas recirculation system having the features of claim 1. Characterized in that a pressure wave supercharger is arranged as means for increasing the pressure in the exhaust gas recirculation line, no additional drive energy is required to increase the pressure of the exhaust gas to the charge air level. Thus, high volume flows of clean exhaust gas can be promoted.
  • a delivery inlet of the pressure wave supercharger is connected via the exhaust gas recirculation line to the exhaust pipe downstream of the turbine, a delivery outlet connected via the exhaust gas recirculation line to the intake line downstream of the compressor, a pressure inlet via a bypass line to the exhaust line upstream of the turbine and a pressure wave outlet via the bypass line with the Exhaust pipe connected downstream of the turbine.
  • the exhaust gas recirculation line connected to the delivery inlet of the pressure wave supercharger branches off from the exhaust gas line downstream of a particle filter, thus ensuring that particles of free exhaust gas are mixed with the charge air. This reduces the load on the subsequent components and cables and thus increases their service life.
  • the exhaust gas recirculation line connected to the delivery inlet of the pressure wave supercharger also branches off from the exhaust line downstream of a catalyst, so that clean exhaust gas is returned. Deposits of hydrocarbons on cool walls of subsequent parts, such as the intercooler be significantly reduced in this way.
  • the exhaust gas recirculation line connected to the delivery outlet of the pressure wave supercharger opens into the intake line upstream of a charge air cooler, so that the entire combustion gas is mixed and fed to the combustion process at a uniform temperature. Furthermore, a charge air cooler is sufficient for cooling the exhaust gas and the air. Thus, high fillings can be achieved by low temperatures of the cylinder fresh air charge.
  • the bypass line of the pressure wave supercharger connected to the pressure wave outlet opens into the exhaust gas line upstream of the particle filter. Accordingly, the exhaust gas used to increase the pressure is cleaned before leaving the engine.
  • a cellular wheel of the pressure wave supercharger is driven by an electric motor. The energy input in this arrangement is extremely low, since no significant power must be transmitted, 5 but only the gas-dynamic processes in the individual cells are synchronized. Thus, the system can be set to varying speeds of sound in the gas.
  • the cell wheel of the o Druckwelienladers is driven via the crankshaft or the camshaft of the internal combustion engine. This creates a synchronous drive to the gas exchange processes, without any external energy input. It is thus an exhaust gas recirculation system with an exact controllability created in the clean exhaust gas is fed back directly into the charge air line without having to make an increased energy input. On additional coolers or piping can be omitted.
  • the efficiency of the internal combustion engine is improved by the introduction of the air exhaust mixture with low temperature and elevated pressure level.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of the air and exhaust system of a supercharged internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system according to the invention in a schematic representation.
  • Figure 2 shows a development of a Druckwelienladers in the exhaust gas recirculation system according to the invention of Figure 1 in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 10 which is supplied with combustion gas via an intake line 12.
  • a compressor 14 of a turbocharger 16 is arranged. Downstream of the compressor 14 is located in the intake manifold 12, a charge air cooler 18 for reducing the temperature of the combustion gases.
  • the combustion gases leave the internal combustion engine 10 via an exhaust pipe 20, in which a turbine 22 of the turbocharger 16 is arranged. Downstream of the turbine 22 are located in the exhaust pipe 20, a particulate filter 24 and a catalytic converter 26, from which the exhaust gas continues to flow and leaves the exhaust pipe 20 via an exhaust gas outlet 28.
  • This pressure wave supercharger 32 is driven by an electric motor 34, this drive not giving off any power for compressing the exhaust gas, but merely synchronizing the 5 gas-dynamic processes in the cells 36 of the pressure wave supercharger 32. This means that it only applies a drive power for moving a cellular wheel 38 of the pressure wave supercharger 32, but without spending energy for compressing the exhaust gas. Compared to a belt or chain drive of the cellular wheel 38 of the lo blast loader 32 when driving with the electric motor 34 is possible to optimally adapt its speed to the variable sound velocities of the exhaust gas.
  • Such pressure wave chargers 32 are known as Suprex or Hyprexlader.
  • the exhaust gas is both conveyed and used to increase the pressure.
  • a delivery inlet 40 of the pressure wave loader 32 is connected to the exhaust gas recirculation line 30, which of the exhaust pipe 20th
  • a delivery outlet 42 is connected to the intake passage 12 downstream of the compressor 14 via the exhaust gas recirculation line 30.
  • the pressure wave loader 32 On the approximately axially opposite to the feed inlet 40 side of the cellular wheel 38 is the pressure wave loader 32 with a pressure wave outlet
  • bypass line 46 which opens into the exhaust pipe 20 downstream of the turbine 22 and upstream of the particulate filter 24, so that this exhaust gas is cleaned in the following.
  • This bypass line 46 branches from the exhaust pipe 20 in front of the turbine 22 thus at a position at which there is a high exhaust gas pressure, and is connected to 0 a pressure wave inlet 48 of the pressure wave supercharger 32, which is arranged approximately axially opposite to the delivery outlet 42 of the pressure wave supercharger 32.
  • the mode of operation of the pressure wave loader 32 will be explained below with reference to FIG.
  • a single cell 36 is considered, which was initially filled with clean exhaust gas from the delivery inlet 40.
  • this reaches the opening of the pressure wave inlet 48.
  • the pressure of the non-purified exhaust gas in the high-pressure region thus lies upstream of the turbine 22.
  • This significantly increased pressure compared to exhaust gas from the low pressure area in the cell 36 causes a pressure wave to propagate in the cell 36 to the right, resulting in compression of the clean gas present in the cell 36.
  • the outlet window opens to the delivery outlet 42.
  • the clean exhaust gas flows out and enters the suction line 12.
  • the delivery outlet 42 is closed before the non-purified exhaust gas can flow out.
  • the pressure wave outlet 44 arranged on the same side as the pressure wave inlet 48 is opened in the following. This means that the cell 38 reaches the pressure wave outlet 44, whereby the untreated exhaust gas can flow back into the area behind the turbine 22 via the bypass line 46 and is subsequently cleaned in the particle filter 26 and in the catalytic converter 28.
  • This extension leads to a vacuum wave in the cell 36.
  • the cell 36 is in communication with the delivery inlet 40, through which the cell 36 is again filled with clean exhaust gas due to the vacuum wave, while the uncleaned exhaust gas is ejected becomes. Now, the cell 36 is again filled with clean exhaust gas, so that the process described starts again.

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Abstract

Abgasrückführsysteme für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung (20), einer Ansaugleitung (12), einem Turbolader (16) mit einem Verdichter (14), der in der Ansaugleitung (12) angeordnet ist und einer Turbine (22), die in der Abgasleitung (20) angeordnet ist, einer Abgasrückführleitung (30), welche von der Abgasleitung (20) stromabwärts der Turbine (22) abzweigt und in die Ansaugleitung (12) stromabwärts des Verdichters (14) mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung (30), sind bekannt. Zur Überwindung des Druckgefälles werden üblicherweise aktiv betriebene Abgasrückführpumpen verwendet. Um möglichst energieeffizient gereinigtes Abgas in den Ansaughochdruckbereich zurückführen zu können wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung (30) ein Druckwellenlader (32) angeordnet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine
5
Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Ansaugleitung, einem Turbolader mit einem Verdichter, der in der Ansaugleitung angeordnet ist und einer Turbine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, o einer Abgasrückführleitung, welche von der Abgasleitung stromabwärts der Turbine abzweigt und in die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung.
Es sind verschiedene Abgasrückführsysteme zur Schadstoffreduzierung für turboaufgeladene Motoren bekannt. Die häufigsten verwendeten Systeme weisen einen Niederdruckabgasrückführzweig oder einen Hochdruckabgasrückführzweig auf. Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das Abgas hinter der Turbine und der Abgasreinigungsanlage entnommen und vor dem Verdichter zurückgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sauberes und bereits leicht abgekühltes Abgas zurückgeführt wird, wodurch eine Versottung des Verdichters und des Ladeluftkühlers vermieden wird und der Turbine der volle Abgasstrom zur Verfügung steht. Allerdings muss verhindert werden, dass es durch auskondensiertes Verbrennungswasser zu einer Schädigung des Verdichters durch Tropfenschlag kommt, so dass zunächst das Wasser aus dem Abgas entfernt werden muss. Des Weiteren ist die Regelung der Niederdruckabgasrückführung aufgrund der langen Wege relativ träge. Die Hochdruckabgasrückführung, bei der Abgas vor der Turbine entnommen und stromab des Verdichters wieder der Ansaugleitung zugeführt wird, hat demgegenüber den Vorteil einer raschen Regelbarkeit, weist jedoch unter anderem die Probleme auf, dass entweder das Abgas stromabwärts des Ladeluftkühlers eingeführt wird, was zu einer verminderten Füllung durch erhöhte Temperaturen führt oder eine Versottung des Ladeluftkühlers entsteht. Aus diesem Grund wurden Mischsysteme entwickelt, die sowohl mit einem Niederdruckabgasstrang als auch mit einem Hochdruckabgasstrang ausgerüstet sind. Dies führt allerdings zu einem erhöhten Verrohrungsund somit Montageaufwand, so dass deutlich höhere Kosten entstehen. Aus der DE 10 2009 027 639 AI ist ein Abgasrückführsystem mit einer Hochdruckleitung und einer weiteren Abgasrückführleitung bekannt, welche hinter einer Abgasreinigungsvorrichtung und somit hinter der Turbine des Turboladers abzweigt und stromab des Verdichters in die Ansaugleitung mündet. Um über diesen Abgasstrang ausreichend Abgas fördern zu können, ist im Abgasrückführstrang zur Überwindung des Druckgefälles eine über einen Elektromotor angetriebene Abgaspumpe angeordnet. So kann sauberes Abgas dem Verbrennungsmotor gekühlt zur Verfügung gestellt werden, ohne dass eine zu hohe Trägheit der Massenstrom- und Temperaturregelung zu befürchten ist. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche Antriebsleistung für die AGR-Pumpe in das System eingebracht werden muss, was den Gesamtwirkungsgrad herabsetzt.
Des Weiteren wurde als Alternative zur Aufladung von Verbrennungsmotoren mittels Abgasturboladern die Verwendung von Druckwellenladern getestet, welche besonders resistent gegen Verschmutzungen durch das Abgas reagieren, da aufgrund der Funktionsweise eine regelmäßige Spülung der Kammern durch die zu verdichtende Frischluft stattfindet, so dass eine wachsende Verrußung nicht zu befürchten ist. Ein solcher Druckwellenlader wird beispielsweise in der DE 10 2010 049 361 AI beschrieben. Durch den hohen Druck im Abgasstrang kann in die Kammern des Druckwellenladers gelangtes Abgas bis beinahe auf den Druck in der Abgasleitung also am Auslass der Zylinder verdichtet werden. Besondere Abgasrückführsysteme für derartige Motoren sind bislang nicht bekannt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem zu schaffen, mit dem möglichst gereinigtes Abgas gekühlt zum Verbrennungsmotor stromab des Verdichters zurückgeführt werden kann, wobei der notwendige Energieeintrag minimiert werden soll. Der Druck in der Ansaugleitung soll ebenso wie die Temperatur der Ladeluft durch die Abgasrückführung nicht verringert werden, so dass die Füllung der Zylinder im Vergleich zu Zuständen ohne Abgasrückführung erhalten bleibt.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung ein Druckwellenlader angeordnet ist, wird keine zusätzliche Antriebsenergie zur Druckerhöhung des Abgases auf das Ladeluftniveau benötigt. So können hohe Volumenströme sauberen Abgases gefördert werden.
Vorzugsweise ist ein Fördereinlass des Druckwellenladers über die Abgasrückführleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden, ein Förderauslass über die Abgasrückführleitung mit der Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters verbunden, ein Druckweileneinlass über eine Bypassleitung mit der Abgasleitung stromaufwärts der Turbine verbunden und ein Druckwellenauslass über die Bypassleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden. Entsprechend wird der Druck in der Abgasauslassleitung der Zylinder zur Druckerhöhung im Druckwellenlader genutzt, um eine entsprechende Druckerhöhung des Abgases von der Niederdruckseite auf einen Druck oberhalb der Ladeluftleitung zu erhalten.
In einer weiterführenden Ausführung zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromabwärts eines Partikelfilters von der Abgasleitung ab, so dass sichergestellt ist, dass Partikel freies Abgas zur Ladeluft gemischt wird. Dies verringert die Belastung der nachfolgenden Bauteile und Leitungen und erhöht somit deren Lebensdauer.
Entsprechend zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung auch stromabwärts eines Katalysators von der Abgasleitung ab, so dass sauberes Abgas zurückgeführt wird. Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen an kühlen Wänden nachfolgender Teile, wie beispielsweise des Ladeluftkühlers werden auf diese Weise deutlich reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mit dem Förderauslass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromaufwärts eines Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung mündet, da so dass gesamte Verbrennungsgas gemischt und mit einer einheitlichen Temperatur dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Des Weiteren reicht ein Ladeluftkühler zur Kühlung des Abgases und der Luft aus. So können hohe Füllungen durch geringe Temperaturen der Zylinderfrischluftladung erreicht werden.
Zur Verringerung der Emissionen des ausgestoßenen Abgases mündet die mit dem Druckwellenauslass verbundene Bypassieitung des Druckwellenladers stromaufwärts des Partikelfilters in die Abgasleitung. Entsprechend wird das zur Druckerhöhung genutzte Abgas vor dem Verlassen des Verbrennungsmotors gereinigt. Vorzugsweise wird ein Zellenrad des Druckwellenladers über einen Elektromotor angetrieben. Der Energieeintrag bei dieser Anordnung ist extrem gering, da keine wesentliche Leistung übertragen werden muss, 5 sondern lediglich die gasdynamischen Vorgänge in den einzelnen Zellen synchronisiert werden. So kann das System auf veränderliche Schallgeschwindigkeiten im Gas eingestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Zellenrad des o Druckwelienladers über die Kurbelwelle oder die Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. So entsteht ein zu den Gaswechselvorgängen synchroner Antrieb, ohne jeglichen externen Energieeintrag. Es wird somit ein Abgasrückführsystem mit einer exakten Regelbarkeit geschaffen, bei dem sauberes Abgas direkt in die Ladeluftleitung zurückgeführt wird, ohne einen erhöhten Energieeintrag vornehmen zu müssen. Auf zusätzliche Kühler oder Rohrleitungen kann verzichtet werden. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wird durch die Einbringung des Luft- Abgasgemisches mit geringer Temperatur und erhöhtem Druckniveau verbessert.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Schaltbild des Luft- und Abgassystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt eine Abwicklung eines Druckwelienladers im erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem nach Figur 1 in schematischer Darstellung. In Figur 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, welcher über eine Ansaugleitung 12 mit Verbrennungsgas versorgt wird. In der Ansaugleitung 12 ist ein Verdichter 14 eines Turboladers 16 angeordnet. Stromabwärts des Verdichters 14 befindet sich in der Ansaugleitung 12 ein Ladeluftkühler 18 zur Reduzierung der Temperatur der Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase verlassen den Verbrennungsmotor 10 über eine Abgasleitung 20, in welcher eine Turbine 22 des Turboladers 16 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 22 befinden sich in der Abgasleitung 20 ein Partikelfilter 24 und ein Katalysator 26, von denen aus das Abgas weiterströmt und die Abgasleitung 20 über einen Abgasauslass 28 verlässt.
Zur Reduzierung von Schadstoffen zweigt von der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators 26 und des Partikelfilters 24 eine Abgasrückführleitung 30 ab, welche stromabwärts des Verdichters 14 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 18 in die Ansaugleitung 12 mündet.
Da das Abgas gereinigt hinter dem Partikelfilter 24 und dem Katalysator 26 entnommen wird, besteht kein Versottungsproblem des Ladeluftkühlers 18. Auch besteht der Vorteil, dass der Verdichter 14 nicht mit Kondensat enthaltendem Abgas beaufschlagt wird. Problematisch ist es jedoch, dass ein Druckgefälle von der Mündung der Abgasrückführleitung 30 zur Abzweigung der Abgasrückführleitung 30 besteht. Daher ist es notwendig, das Abgas aktiv in Richtung zur Ansaugleitung 12 zu fördern. Es ist daher erfindungsgemäß in der Abgasrückführleitung 30 ein Druckwellenlader 32 angeordnet. Dieser Druckwellenlader 32 wird über einen Elektromotor 34 angetrieben, wobei dieser Antrieb keine Leistung zur Komprimierung des Abgases abgibt, sondern lediglich die 5 gasdynamischen Vorgänge in den Zellen 36 des Druckwellenladers 32 synchronisiert. Das bedeutet, dass er lediglich eine Antriebsleistung zur Bewegung eines Zellenrades 38 des Druckwellenladers 32 aufbringt, jedoch ohne Energie zur Komprimierung des Abgases aufzuwenden. Im Vergleich zu einem Riemen- oder Kettenantrieb des Zellenrades 38 des lo Druckwellenladers 32 ist es beim Antrieb mit dem Elektromotor 34 möglich, dessen Drehzahl optimal an die veränderlichen Schallgeschwindigkeiten des Abgases anzupassen. Solche Druckwellenlader 32 sind als Suprex- oder Hyprexlader bekannt.
15 Im Vergleich zu der bekannten Verschaltung eines Druckwellenladers 32 zur Verdichtung der Ansaugluft wird jedoch bei der vorliegenden Erfindung das Abgas sowohl gefördert als auch zur Druckerhöhung genutzt. Hierzu wird ein Fördereinlass 40 des Druckwellenladers 32 mit der Abgasrückführleitung 30 verbunden, welche von der Abgasleitung 20
20 stromabwärts des Katalysators 26 und dem Partikelfilter 24 abzweigt. Ein Förderauslass 42 wird über die Abgasrückführleitung 30 mit der Ansaugleitung 12 stromabwärts des Verdichters 14 verbunden. Auf der etwa axial zum Fördereinlass 40 gegenüberliegenden Seite des Zellenrades 38 ist der Druckwellenlader 32 mit einem Druckwellenauslass
25 44 verbunden, der in eine Bypassleitung 46 führt, die in die Abgasleitung 20 stromabwärts der Turbine 22 und stromaufwärts des Partikelfilters 24 mündet, so dass dieses Abgas im Folgenden gereinigt wird. Diese Bypassleitung 46 zweigt von der Abgasleitung 20 vor der Turbine 22 also an einer Position, an der ein hoher Abgasdruck vorliegt, ab und ist an 0 einen Druckwelleneinlass 48 des Druckwellenladers 32 angeschlossen, der etwa axial gegenüberliegend zum Förderauslass 42 des Druckwellenladers 32 angeordnet ist.
Die Funktionsweise des Druckwellenladers 32 wird im Folgenden anhand der Figur 2 erläutert. Dabei wird eine einzelne Zelle 36 betrachtet, welche zunächst mit sauberem Abgas vom Fördereinlass 40 gefüllt sei. Bei Drehung der Zelle 36 gelangt diese vor die Öffnung des Druckwelleneinlasses 48. Am Druckwelleneinlass 48 liegt der Druck des nicht gereinigten Abgases im Hochdruckbereich also stromaufwärts der Turbine 22 an. Dieser im Vergleich zum in der Zelle 36 aus dem Niederdruckbereich stammenden Abgas deutlich erhöhte Druck führt dazu, dass sich in der Zelle 36 eine Druckwelle zur rechten Seite ausbreitet, die zu einer Komprimierung des in der Zelle 36 vorhandenen sauberen Gases führt. Wenn diese Druckwelle sich so weit ausgebreitet hat, dass das saubere Gas so stark komprimiert wurde, dass es im wesentlichen den gleichen Druck aufweist wie das vom Druckwelleneinlass 48 stammende Gas, öffnet sich das Auslassfenster zum Förderauslass 42. Das saubere Abgas strömt aus und gelangt in die Ansaugleitung 12. Durch die weitere Drehung des Zellenrades 38 wird der Förderauslass 42 geschlossen bevor das nicht gereinigte Abgas ausströmen kann. Stattdessen wird der an der gleichen Seite wie der Druckwelleneinlass 48 angeordnete Druckwellenauslass 44 im Folgenden geöffnet. Dies bedeutet, dass die Zelle 38 den Druckwellenauslass 44 erreicht, wodurch das nicht gereinigte Abgas über die Bypassleitung 46 in den Bereich hinter der Turbine 22 zurückströmen kann und im Folgenden im Partikelfilter 26 und im Katalysator 28 gereinigt wird. Dieser Ausschub führt zu einer Unterdruckwelle in der Zelle 36. Durch Weiterdrehen des Zellenrades gelangt die Zelle 36 in Verbindung mit dem Fördereinlass 40, über den aufgrund der Unterdruckwelle die Zelle 36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt wird, während das nicht gereinigte Abgas ausgeschoben wird. Nun ist die Zelle 36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt, so dass der beschriebene Vorgang erneut beginnt.
Daraus folgt, dass sauberes Abgas auf ein Druckniveau erhöht wird, welches über dem Druckniveau der Luft hinter dem Verdichter 14 liegt. Entsprechend liegt ein Druckgefälle vor, was dazu führt, dass eine ausreichende Menge in diesen Hochdruckbereich der Ansaugleitung 12 einströmen kann. Dieses Abgas kann im Folgenden im Ladeluftkühler 18 gemeinsam mit der verdichteten Luft abgekühlt werden und dem Verbrennungsmotor 10 als Frischladung zur Verfügung gestellt werden. Der die Druckwelle bereitstellende nicht gereinigte Abgasstrom des Hochdruckbereiches wird anschließend dem Reinigungsprozess zugeführt.
Dies bedeutet, dass das bei minimaler aufzubringender Leistung gereinigte Abgas dem Verbrennungsprozess zeitnah zur Verfügung gestellt werden kann, so dass eine schnelle Regelbarkeit des Systems gegeben ist. Des Weiteren ist ein Druckwellenlader sehr robust und weist im Vergleich zu Pumpen eine hohe Lebensdauer in aggressiver Atmosphäre auf. So werden gleichzeitig sehr gute Emissionswerte und ein hoher Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erreicht.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschrieben Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sind verschiedene Abgas- und Ansaugsysteme denkbar, für die der Einsatz eines Druckwellenladers zum Zwecke der Förderung zurückgeführten Abgases sinnvoll sein kann. Auch kann der Antrieb des Druckwellenladers über die Nockenwelle oder die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors erfolgen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung (20),
einer Ansaugleitung (12),
einem Turbolader (16) mit einem Verdichter (14), der in der Ansaugleitung (12) angeordnet ist und einer Turbine (22), die in der Abgasleitung (20) angeordnet ist,
einer Abgasrückführleitung (30), welche von der Abgasleitung (20) stromabwärts der Turbine (22) abzweigt und in die Ansaugleitung
(12) stromabwärts des Verdichters (14) mündet und
Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung
(30),
dadurch gekennzeichnet, dass
als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung (30) ein Druckwellenlader (32) angeordnet ist.
Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Fördereinlass (40) des Druckwellenladers (32) über die Abgasrückführleitung (30) mit der Abgasleitung (20) stromabw rts der Turbine (22) verbunden ist, ein Förderauslass (42) über die Abgasrückführleitung (30) mit der Ansaugleitung (12) stromabwärts des Verdichters (14) verbunden ist, ein Druckwelleneiniass (48) über eine Bypassleitung (46) mit der Abgasleitung (20) stromaufwärts der Turbine (22) verbunden ist und ein Druckwelienauslass (44) über die Bypassleitung (46) mit der Abgasleitung (20) stromabwärts der Turbine (22) verbunden ist. 3, Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit dem Fördereinlass (40) des Druckwellenladers (32) verbundene Abgasrückführleitung (30) stromabwärts eines Partikelfilters (24) von der Abgasleitung (20) abzweigt.
4. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit dem Fördereinlass (40) des Druckwellenladers (32) verbundene Abgasrückführleitung (30) stromabwärts eines Katalysators (26) von der Abgasleitung (20) abzweigt. 5. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit dem Förderauslass (42) des Druckwellenladers (32) verbundene Abgasrückführleitung (30) stromaufwärts eines Ladeluftkühlers ( 18) in die Ansaugleitung (12) mündet.
6. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit dem Druckwellenauslass (44) verbundene Bypassleitung (46) des Druckwellenladers (32) stromaufwärts des Partikelfilters (24) in die Abgasleitung (20) mündet.
7. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellenrad (38) des Druckwellenladers (32) über einen Elektromotor (34) angetrieben ist.
8. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zellenrad (38) des Druckwellenladers (32) über die Kurbelwelle oder die Nockenwelle des Verbrennungsmotors (10) angetrieben ist.
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