EP2990634A1 - Abgasrückführsystem für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Abgasrückführsystem für einen verbrennungsmotor Download PDF

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Publication number
EP2990634A1
EP2990634A1 EP15172868.0A EP15172868A EP2990634A1 EP 2990634 A1 EP2990634 A1 EP 2990634A1 EP 15172868 A EP15172868 A EP 15172868A EP 2990634 A1 EP2990634 A1 EP 2990634A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
gas recirculation
combustion engine
internal combustion
ball valve
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Withdrawn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
EP15172868.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Rothgang
Martin Nowak
Michael-Thomas Benra
Martin Krucinski
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 EP2990634A1 publication Critical patent/EP2990634A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/40—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with timing means in the recirculation passage, e.g. cyclically operating valves or regenerators; with arrangements involving pressure pulsations
    • 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
    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/70—Flap valves; Rotary valves; Sliding valves; Resilient valves
    • 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
    • F02M26/22—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

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation passage, via which an exhaust manifold of the internal combustion engine is fluidly connected to an intake passage of the internal combustion engine, a housing in the exhaust gas recirculation passage, on which an exhaust inlet and an exhaust outlet are formed, a ball valve with a through-passage opening, which is rotatably disposed in the housing between the exhaust inlet and the exhaust outlet.
  • the exhaust gas recirculation serves to reduce pollutants in the exhaust gas by the exhaust gas discharged from the cylinder is supplied to the cylinder again depending on the load state of the internal combustion engine.
  • To control the amount of recirculated exhaust gas recirculation valves are used, which are usually designed as a lift valves or flaps.
  • a well-known exhaust gas check valve for example, in the DE 199 53 198 A1 described.
  • This valve consists of two side by side prisms, on whose side leaf spring elements are clamped, which are opened at a positive pressure gradient and close at a negative pressure gradient.
  • Each prism is connected to a flood of a dual-flow exhaust system as is known in large-volume engines.
  • the problem with this valve is the relatively small opening cross-section of the valve, which clearly limits the amounts of exhaust gas to be returned.
  • Exhaust gas recirculation systems are also known which assign the individual cylinders to the exhaust gas to the exact cycle. Such a system is used in the EP 2 017 457 A2 described.
  • a revolving distributor element coupled to the camshaft with a number of outlets corresponding to the number of cylinders, exhaust gas is recirculated in a cylinder-selective manner and in an intake valve synchronous manner.
  • the distributor element transmits this still existing in the exhaust gas flow pulsations.
  • the ball valve Due to the fact that the ball valve is driven at a fixed speed ratio to an exhaust camshaft for actuating the exhaust valves of the internal combustion engine at least when the load state of the internal combustion engine is unchanged, it becomes possible to operate the ball valve so that the full positive pressure gradient of each pulsation is utilized while a negative Purge gradient, which would cause a backflow is shut off. Accordingly, the ball valve acts like a check valve, however, due to the large opening cross-section with full utilization of the available amount of exhaust gas. Under a fixed speed ratio is understood that a position of the camshaft is always assigned to a specific position of the ball valve. The speed of the ball valve or the camshaft can thus always be a multiple of the other component.
  • an exhaust gas recirculation valve upstream of the ball valve is arranged in the exhaust gas recirculation passage, via which the recirculated exhaust gas amount is controlled, so that the ball valve only fulfills the function of a check valve.
  • an exhaust gas cooler is arranged between the exhaust gas recirculation valve and the ball valve. This reduces the thermal load on the ball valve, resulting in increased life.
  • the rotation of the ball valve for rotation of the camshaft is phase-shifted.
  • a phase shift can be used in order to always be able to set the optimum angle of rotation with the camshaft with changing time profiles of the positive pressure surge or it is possible to carry out an exhaust gas quantity control by deliberately making available the full opening of the ball valve only , although a maximum amount of exhaust gas is required.
  • the flow of exhaust gas may be shut off. In such an embodiment can be dispensed with additional exhaust gas recirculation valves for flow control.
  • the ball valve is driven by an electric motor.
  • This is usually operated with a synchronous to the camshaft speed, if no phase shift is desired. For such a phase shift only a short-term change of the speed would be required.
  • the ball valve is driven via a belt drive connected to the camshaft or chain drive. So no additional energy consuming drive units must be used.
  • the speed of the ball valve corresponds to half the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders of the internal combustion engine.
  • the ball valve which has two offset by 180 ° opening positions, in each case so that each emission of exhaust gas from each cylinder with an open exhaust valve on the engine exactly one opening of the ball valve is assigned.
  • the internal combustion engine has two separate cylinder banks, wherein each cylinder bank is assigned an exhaust gas recirculation channel, wherein in both exhaust gas recirculation channels in each case a spherical body of a ball valve designed as a double ball valve is arranged.
  • the separation of the cylinder banks prevents superpositions of the exhaust gas pulsations on larger volumes and prevents too large channel cross sections.
  • the ball valves act in this embodiment as check valves, which prevent backflow of exhaust gas and ensure complete opening of the flow cross-section at the greatest driving pressure gradient.
  • the spherical body of the double ball valve are coupled together and driven together, wherein a through opening formed in the first ball body is arranged offset by 90 ° to a formed in the second spherical body through hole.
  • the speed of the double ball valve is one quarter of the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders.
  • an exhaust gas recirculation system is provided with which the maximum amount of exhaust gas can be increased in comparison to known designs, since the exhaust gas pulsations are fully utilized, on the one hand a free available flow area is increased at a positive pressure gradient and on the other hand, a return flow at adjacent negative pressure gradient is prevented.
  • exhaust gas recirculation system consists of an internal combustion engine 10 with six cylinders 12, which are each associated with two inlet valves 14 and two exhaust valves 16.
  • the internal combustion engine has an intake camshaft 18 and an exhaust camshaft 20, which are coupled to a crankshaft, not shown, for actuating the pistons in the cylinders 12 in a known manner.
  • fuel gas passes from an intake manifold 22 into the cylinders 12, which is connected to an intake passage 24, is sucked through the air and recirculated exhaust gas.
  • the recirculated exhaust gas comes from an exhaust gas recirculation passage 26, which connects the intake passage 24 with an exhaust passage 28, which from the cylinders 12 via the exhaust valves 16 receive exhaust gas discharged into an exhaust manifold 30. A part of this exhaust gas reaches an exhaust gas outlet 32, while the other part, depending on the load state of the internal combustion engine 10, is returned via the exhaust gas recirculation channel 26.
  • an exhaust gas recirculation valve 34 is arranged, via which the exhaust gas mass flow is regulated. Downstream of the exhaust gas recirculation valve 34, an exhaust gas cooler 36 is arranged, via which the recirculated exhaust gas is cooled in order to achieve better combustion temperatures in the cylinders 12.
  • a ball valve 38 is arranged downstream of the exhaust gas cooler 36, which is rotated in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 in a housing 40. This operation is ensured by a coupling of a rotary shaft 42 of the ball valve 38 with the exhaust camshaft 20 via a non-positive and / or positive drive, such as a chain or belt drive 44.
  • the ball valve 38 with its housing 40 is in the FIG. 3 shown. It consists of a housing body 40 rotatably mounted in the spherical body 46 having a through hole 48 whose diameter substantially corresponds to the diameter of an exhaust gas inlet 50 and an exhaust gas outlet 52 of the housing 40. This has the consequence that at a position of the spherical body 46 in which the center axis of the passage opening 48 extends the center axis of the exhaust gas inlet 50 to the exhaust outlet 52, the entire available flow cross-section of the housing 40 and thus the exhaust gas recirculation passage 26 is released.
  • the ball body 46 is rotatably connected to the rotary shaft 42, for example by positive engagement.
  • the ball body 46 is rotated in the housing 40 in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 at a speed corresponding to half the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders, in the present case So with three times the speed of the crankshaft, whereby the ball valve 38 per opening of an exhaust valve 16 during upward movement of the piston in the cylinder 12 also opens once.
  • FIG. 1 an alternative drive of the ball valve is shown in dashed lines, which is driven by an electric motor 54 in this version.
  • the ball valve 38 is also operated in this case usually also with a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20 or the crankshaft, but this does not have to be done over the entire load range of the internal combustion engine 10.
  • the electric motor 54 can on the one hand short-term adjustment of the relative rotational angle between the crankshaft and the rotary shaft 42 of the ball valve 38 produce so as to open in any load conditions always when the pressure wave of the exhaust gas flow reaches the ball valve 38 and on the other hand it is in this way possible to completely dispense with the upstream exhaust gas recirculation valve 34, for example, in load states in which no exhaust gas recirculation is desired, the ball valve 38 is rotated in opposite directions to the incoming exhaust gas pressure wave, so always in the exhaust gas recirculation passage 26 occluding state is when the positive pressure wave reaches the ball valve 38.
  • FIG. 2 illustrated embodiment differs from the first embodiment in that two separate cylinder banks 56, 58 are provided, which each lead into an associated exhaust manifold 60, 62, each exhaust manifold 60, 62 associated with a separate exhaust passage 64, 66 and a separate exhaust gas recirculation channel 68, 70 is.
  • Such an embodiment is known in particular in large-volume combustion engines 10 in commercial vehicles, such as trucks or tractors.
  • the separation of the two exhaust gas recirculation channels 68, 70 is retained both at the upstream exhaust gas recirculation valve 34 and in the exhaust gas cooler 36. Accordingly, two separate exhaust gas streams flow with their own exhaust gas pressure waves from the exhaust gas cooler 36 in the direction of a double ball valve 72.
  • This consists of two juxtaposed, rotatably coupled together ball bodies 74, 76, each of which is assigned to one of the exhaust gas recirculation channels 68, 70.
  • a housing 78 of the double ball valve 72 has correspondingly two exhaust gas inlets 80, 82 and two exhaust gas outlets 84, 86.
  • the two ball bodies 74, 76 each have a passage opening 88, 90, via which the associated exhaust gas inlet 80, 82 can be fluidically connected to the associated exhaust gas outlet 84, 86. Since the pressure waves at the same crankshaft speed alternately flow at constant time intervals into the first exhaust gas recirculation passage 68 and into the second exhaust gas recirculation passage 70, the passage openings 88, 90 of the two ball bodies 74, 76 are rotationally offset from each other by 90 °.
  • this double ball valve 72 is driven in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20, but this speed is only one quarter of the crankshaft speed multiplied by the number of cylinders, in the present case, 1.5 times the speed of the crankshaft, whereby the double ball valve 72 per Opening of an exhaust valve 16 during upward movement of the piston in the cylinder 12 also once again one of the exhaust gas recirculation channels 68, 70 releases.
  • the double ball valve 72 can be driven in the same way either directly coupled via a transmission or a belt or chain drive 44 or via an electric motor 54 in a fixed speed ratio to the exhaust camshaft 20.
  • the described exhaust gas recirculation systems allow a significant increase of the possible, in particular in a high-pressure exhaust gas recirculation channel, recirculated exhaust gas flow by fully utilizing the existing exhaust gas pulsations and maximizing the diameter to be released in phases of a driving pressure gradient due to the pulsations. Backflows are reliably prevented at the same time.
  • the proposed ball valves thus serve as actively adjustable check valves or, if desired, in addition to the exhaust gas quantity control.

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Abstract

Es sind Abgasrückführsysteme für Verbrennungsmotoren mit einem Abgasrückführkanal (26, 68, 70), über den ein Abgaskrümmer (30, 60, 62) des Verbrennungsmotors (10) fluidisch mit einem Ansaugkanal (24) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, einem Gehäuse (40, 78) im Abgasrückführkanal (26, 68, 70), an dem ein Abgaseinlass (50, 80, 82) und ein Abgasauslass (52, 84, 86) ausgebildet sind und einem Kugelventil (38, 72) mit einer durchgehenden Durchgangsöffnung (48, 88, 90), welches in dem Gehäuse (40, 78) zwischen dem Abgaseinlass (50, 80, 82) und dem Abgasauslass (52, 84, 86) drehbar angeordnet ist, bekannt. Um die mögliche zurückgeführte Abgasmenge zu vergrößern, wird vorgeschlagen, dass das Kugelventil (38, 72) zumindest bei unverändertem Lastzustand des Verbrennungsmotors (10) mit einem festen Drehzahlverhältnis zu einer Auslassnockenwelle (20) zur Betätigung von Auslassventilen (16) des Verbrennungsmotors (10) angetrieben ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführkanal, über den ein Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors fluidisch mit einem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors verbunden ist, einem Gehäuse im Abgasrückführkanal, an dem ein Abgaseinlass und ein Abgasauslass ausgebildet sind, einem Kugelventil mit einer durchgehenden Durchlassöffnung, welches in dem Gehäuse zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass drehbar angeordnet ist.
  • Die Abgasrückführung dient zur Reduzierung von Schadstoffen im Abgas, indem das aus dem Zylinder ausgestoßene Abgas dem Zylinder je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors wieder zugeführt wird. Zur Regelung der zurückgeführten Abgasmenge werden Abgasrückführventile verwendet, die üblicherweise als Hubventile oder als Klappen ausgeführt werden. Durch den Ausstoß von Abgas aus dem Zylinder und die Ansaugung der Verbrennungsluft in den Zylinder aufgrund der Kolbenbewegung entstehen im Abgasstrang, insbesondere bei einer zylindernahen Abgasrückführung über einen Abgashochdruckstrang Pulsationen, also Phasen in denen ein erhöhter Abgasstrom über den Abgasrückführkanal strömt und Phasen, in denen gegebenenfalls sogar Abgas in die entgegengesetzte Richtung strömen kann. Entsprechend ist die Gesamtströmung lediglich abhängig vom gemittelten anliegenden Druckgefälle. Um ein solches Rückströmen zu verhindern, ist es bekannt, Rückschlagventile im Abgasrückführkanal anzuordnen, die zumeist als Blattfederventile ausgeführt werden.
  • Sowohl bei den bekannten Abgasrückführventilen als auch bei den bekannten Rückschlagventilen besteht vor allem bei großvolumigen Motoren das Problem ausreichende Öffnungsquerschnitte freizugeben, um auch bei einem geringen treibenden Druckgefälle ausreichend Abgas zurückführen zu können.
  • Aus diesem Grund wird in der EP 2 236 872 A1 vorgeschlagen, das Abgasrückführventil als Kugelventil auszuführen. Ein solches Kugelventil hat den Vorteil, dass bei Öffnung des Ventils der gesamte Kanalquerschnitt für die Strömung zur Verfügung steht. Entsprechend wird dieses Kugelventil um 90° drehbar im Gehäuse angeordnet und kann über einen Aktor zwischen diesen Positionen zur Regelung des Abgasmassenstroms im Abgasrückführkanal hin- und herbewegt werden. Abgaspulsationen werden bei Verwendung dieses Ventils vollständig über den freien Querschnitt übertragen.
  • Ein bekanntes Abgasrückschlagventil wird beispielsweise in der DE 199 53 198 A1 beschrieben. Dieses Ventil besteht aus zwei nebeneinander Prismen, an deren Seite Blattfederelemente eingespannt sind, die bei positivem Druckgefälle geöffnet werden und bei negativem Druckgefälle schließen. Dabei ist jedes Prisma mit einer Flut eines zweiflutigen Abgassystems verbunden wie dies bei großvolumigen Motoren bekannt ist. Problematisch ist bei diesem Ventil der relativ kleine zu öffnende Querschnitt des Ventils, was die zurückzuführenden Abgasmengen deutlich beschränkt.
  • Auch sind Abgasrückführsysteme bekannt, welche zyklusgenau das Abgas einzelnen Zylindern zuordnen. Ein solches System wird in der EP 2 017 457 A2 beschrieben. Über ein mit der Nockenwelle gekoppeltes umlaufendes Verteilerelement mit einer zur Anzahl der Zylinder korrespondierenden Anzahl an Auslässen wird Abgas zylinderselektiv und einlassventilsynchron zurückgeführt. Neben der sehr aufwendigen konstruktiven Gestaltung des Verteilerelementes überträgt dieses weiterhin im Abgasstrom vorhandene Pulsationen.
  • Es stellt sich die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem bereit zu stellen, mit dem der zurückgeführte Abgasmassenstrom erhöht werden kann, indem die im Abgasstrang vorhandenen Pulsationen genutzt werden, um einerseits die Auswirkungen durch ein negatives Spülgefälle zu eliminieren und andererseits ein vorhandenes positives Spülgefälle möglichst optimal zu nutzen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass das Kugelventil zumindest bei unverändertem Lastzustand des Verbrennungsmotors mit einem festen Drehzahlverhältnis zu einer Auslassnockenwelle zur Betätigung der Auslassventile des Verbrennungsmotors angetrieben ist, wird es möglich, das Kugelventil so zu betreiben, dass das vollständige positive Druckgefälle jeder Pulsation genutzt wird, während ein negatives Spülgefälle, welches ein Rückströmen verursachen würde, abgesperrt wird. Entsprechend wirkt das Kugelventil wie ein Rückschlagventil jedoch aufgrund des großen Öffnungsquerschnitts bei voller Nutzung der zur Verfügung stehenden Abgasmenge. Unter festem Drehzahlverhältnis wird dabei verstanden, dass einer Position der Nockenwelle immer eine bestimmte Position des Kugelventils zuzuordnen ist. Die Drehzahl des Kugelventils oder der Nockenwelle kann somit immer ein Vielfaches des jeweils anderen Bauteils betragen.
  • Vorzugsweise ist im Abgasrückführkanal ein Abgasrückführventil stromaufwärts des Kugelventils angeordnet, über welches die zurückgeführte Abgasmenge geregelt wird, so dass das Kugelventil lediglich die Funktion als Rückschlagventil erfüllt. Mit dieser Ausführung ist eine sehr genaue Mengenregelung möglich.
  • Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Abgasrückführventil und dem Kugelventil ein Abgaskühler angeordnet ist. Dies verringert die thermische Belastung des Kugelventils, wodurch eine erhöhte Lebensdauer erreicht wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehung des Kugelventils zur Drehung der Nockenwelle phasenverschiebbar. Eine solche Phasenverschiebung kann einerseits genutzt werden, um bei sich ändernden zeitlichen Verläufen des positiven Druckstoßes immer den optimalen Drehwinkel zur Nockenwelle einstellen zu können oder es ist möglich, auf diese Weise eine Abgasmengenregelung durchzuführen, indem bewusst die volle Öffnung des Kugelventils nur zur Verfügung gestellt wird, wenn auch eine maximale Abgasmenge gefordert ist. Umgekehrt kann der Abgasstrom durch ein Versetzen des Drehwinkels des Kugelventils um 90° zu dem Drehwinkel, bei dem die zurückgeführte Abgasmenge maximal wird, auch abgesperrt werden. Bei einer derartigen Ausführung kann auf zusätzliche Abgasrückführventile zur Mengenregelung verzichtet werden.
  • Vorzugsweise ist das Kugelventil über einen Elektromotor angetrieben. Dieser wird üblicherweise mit einer zur Nockenwelle synchronen Drehzahl betrieben, falls keine Phasenverschiebung gewünscht ist. Für eine solche Phasenverschiebung wäre lediglich eine kurzzeitige Änderung der Drehzahl erforderlich.
  • Alternativ ist das Kugelventil über einen mit der Nockenwelle verbundenen Riementrieb oder Kettentrieb angetrieben. So müssen keine zusätzlichen Energie verbrauchenden Antriebsaggregate verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Weiterführung des Abgasrückführsystems entspricht die Drehzahl des Kugelventils der halben Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors. Somit öffnet das Kugelventil, welches zwei um 180° versetzte Öffnungspositionen aufweist, jeweils so, dass jedem Ausstoß von Abgas aus jedem Zylinder bei geöffnetem Auslassventil am Verbrennungsmotor genau eine Öffnung des Kugelventils zuzuordnen ist.
  • In einer besonderen Ausbildung des Abgassystems weist der Verbrennungsmotor zwei getrennte Zylinderbänke auf, wobei jeder Zylinderbank ein Abgasrückführkanal zugeordnet ist, wobei in beiden Abgasrückführkanälen jeweils ein Kugelkörper eines als Doppelkugelventil ausgebildeten Kugelventils angeordnet ist. Die Trennung der Zylinderbänke verhindert einerseits Überlagerungen der Abgaspulsationen bei größeren Volumina und verhindert zu große Kanalquerschnitte. Die Kugelventile wirken bei dieser Ausbildung wie Rückschlagventile, die ein Rückströmen von Abgas verhindern und eine vollständige Öffnung des Durchströmungsquerschnitts beim größten treibenden Druckgefälle sicherstellen.
  • In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung sind die Kugelkörper des Doppelkugelventils miteinander gekoppelt und gemeinsam angetrieben, wobei eine im ersten Kugelkörper ausgebildete Durchgangsöffnung um 90° drehversetzt zu einer im zweiten Kugelkörper ausgebildeten Durchgangsöffnung angeordnet ist. Eine derartige Ausführung ermöglicht die gemeinsame Aktuierung der beiden den Zylinderbänken zugeordneten Kugelkörper, so dass diese als Rückschlagventile jeweils abwechselnd zu den optimalen Zeiten öffnen und schließen, um in beiden Zylinderbänken die Abgaspulsationen optimal nutzen zu können.
  • Um ein Öffnen der Rückschlagventile für jedes Öffnen jedes Auslassventils an den Zylindern im Ausschiebeprozess sicher zu stellen, entspricht die Drehzahl des Doppelkugelventils einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder.
  • Es wird somit ein Abgasrückführsystem geschaffen, mit dem die maximal zurückzuführende Abgasmenge im Vergleich zu bekannten Ausführungen erhöht werden kann, da die Abgaspulsationen voll ausgenutzt werden, indem einerseits ein freier zur Verfügung stehender Durchströmungsquerschnitt bei positivem Druckgefälle erhöht wird und andererseits ein Rückströmen bei anliegendem negativen Druckgefälle verhindert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems.
    • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems.
    • Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kugelventils, wie es für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem verwendet wird.
  • Das erfindungsgemäße, in Figur 1 dargestellte Abgasrückführsystem besteht aus einem Verbrennungsmotor 10 mit sechs Zylindern 12, denen jeweils zwei Einlassventile 14 und zwei Auslassventile 16 zugeordnet sind. Zur Betätigung der Ventile 14, 16 weist der Verbrennungsmotor eine Einlassnockenwelle 18 und eine Auslassnockenwelle 20 auf, die mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle zur Betätigung der Kolben in den Zylindern 12 in bekannter Weise gekoppelt sind. Über die Einlassventile 14 gelangt Brenngas aus einem Ansaugkrümmer 22 in die Zylinder 12, der mit einem Ansaugkanal 24 verbunden ist, über den Luft und zurückgeführtes Abgas angesaugt wird. Das zurückgeführte Abgas stammt aus einem Abgasrückführkanal 26, welcher den Ansaugkanal 24 mit einem Abgaskanal 28 verbindet, der das aus den Zylindern 12 über die Auslassventile 16 in einen Abgaskrümmer 30 ausgestoßene Abgas aufnimmt. Ein Teil dieses Abgases gelangt zu einem Abgasauslass 32, während der andere Teil je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors 10 über den Abgasrückführkanal 26 zurückgeführt wird.
  • Im Abgasrückführkanal 26 ist ein Abgasrückführventil 34 angeordnet, über welches der Abgasmassenstrom geregelt wird. Stromabwärts des Abgasrückführventils 34 ist ein Abgaskühler 36 angeordnet, über den das zurückgeführte Abgas gekühlt wird, um bessere Verbrennungstemperaturen in den Zylindern 12 zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Abgaskühlers 36 ein Kugelventil 38 angeordnet, welches in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 in einem Gehäuse 40 gedreht wird. Diese Betätigung wird durch eine Kopplung einer Drehwelle 42 des Kugelventils 38 mit der Auslassnockenwelle 20 über einen kraft- und/oder formschlüssigen Trieb, wie einen Ketten- oder Riementrieb 44 sichergestellt.
  • Das Kugelventil 38 mit seinem Gehäuse 40 ist in der Figur 3 dargestellt. Es besteht aus einem im Gehäuse 40 drehbar gelagerten Kugelkörper 46 mit einer Durchgangsöffnung 48, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser eines Abgaseinlasses 50 und eines Abgasauslasses 52 des Gehäuses 40 entspricht. Dies hat zur Folge, dass bei einer Stellung des Kugelkörpers 46, in der die Mittelachse der Durchgangsöffnung 48 die Mittelachse des Abgaseinlasses 50 zum Abgasauslass 52 verlängert, der gesamte zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt des Gehäuses 40 und damit des Abgasrückführkanals 26 freigegeben wird. Der Kugelkörper 46 ist mit der Drehwelle 42 drehfest beispielsweise durch Formschluss verbunden. Entsprechend wird der Kugelkörper 46 im Gehäuse 40 in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 gedreht und zwar mit einer Drehzahl, die der halben Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder entspricht, im vorliegenden Fall also mit der dreifachen Drehzahl der Kurbelwelle, wodurch das Kugelventil 38 pro Öffnung eines Auslassventils 16 bei Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder 12 ebenfalls einmal öffnet.
  • Um nun sicherzustellen, dass diese Öffnung des Kugelventils 38 immer genau dann erfolgt, wenn die durch den Ausstoß entstehende Abgaswelle das Kugelventil 38 erreicht, muss ein fester Drehversatz der Öffnung des Kugelventils 38 im Vergleich zur Öffnung jedes Auslassventils 16 eingestellt werden. Dies sollte für einen Drehzahlbereich erfolgen, in dem eine maximale Abgasmenge zurückgeführt wird. So kann durch Versuche oder durch Simulationsmodelle der optimale Drehversatz zwischen dem Kugelventil 38 und der Kurbelwelle festgelegt werden. Bei Änderung der Kurbelwellendrehzahl durch Laständerung entsteht dann zwar eine geringe Verschiebung zur Abgasdruckwelle, jedoch führt dies lediglich zu geringfügig verringertem zurückgeführten Abgasmassenstrom, der weiterhin größer ist als bei der Verwendung bekannter Rückschlagventile.
  • In der Figur 1 ist gestrichelt ein alternativer Antrieb des Kugelventils dargestellt, welches in dieser Version über einen Elektromotor 54 angetrieben wird. Das Kugelventil 38 wird in diesem Fall üblicherweise ebenfalls mit einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 oder zur Kurbelwelle betrieben, jedoch muss dies nicht über den gesamten Lastbereich des Verbrennungsmotors 10 erfolgen. Der Elektromotor 54 kann einerseits kurzfristig eine Verstellung der relativen Drehwinkel zwischen der Kurbelwelle und der Drehwelle 42 des Kugelventils 38 herstellen, um so auch in beliebigen Lastzuständen immer dann zu öffnen, wenn die Druckwelle des Abgasstroms das Kugelventil 38 erreicht und andererseits ist es auf diese Weise möglich, auf das vorgeschaltete Abgasrückführventil 34 vollständig zu verzichten, indem beispielsweise bei Lastzuständen, in denen keine Abgasrückführung gewünscht wird, das Kugelventil 38 gegenläufig zur ankommenden Abgasdruckwelle gedreht wird, also sich immer dann im den Abgasrückführkanal 26 verschließenden Zustand befindet, wenn die positive Druckwelle das Kugelventil 38 erreicht.
  • Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei getrennte Zylinderbänke 56, 58 vorgesehen sind, welche jeweils in einen zugehörigen Abgaskrümmer 60, 62 münden, wobei jedem Abgaskrümmer 60, 62 ein separater Abgaskanal 64, 66 und ein separater Abgasrückführkanal 68, 70 zugeordnet ist. Eine solche Ausführung ist insbesondere bei großvolumigen Verbrennungsmotoren 10 in Nutzfahrzeugen, wie Lastkraftwagen oder Traktoren, bekannt. Die Trennung der beiden Abgasrückführkanäle 68, 70 bleibt sowohl am vorgeschalteten Abgasrückführventil 34 als auch im Abgaskühler 36 erhalten. Entsprechend strömen zwei getrennte Abgasströme mit den ihnen eigenen Abgasdruckwellen aus dem Abgaskühler 36 in Richtung eines Doppelkugelventils 72. Dieses besteht aus zwei nebeneinander angeordneten, drehfest miteinander gekoppelten Kugelkörpern 74, 76, von denen jeder einem der Abgasrückführkanäle 68, 70 zugeordnet ist.
  • Ein Gehäuse 78 des Doppelkugelventils 72 weist entsprechend zwei Abgaseinlässe 80, 82 und zwei Abgasauslässe 84, 86 auf. Die beiden Kugelkörper 74, 76 weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 88, 90 auf, über die der zugehörige Abgaseinlass 80, 82 mit dem zugehörigen Abgasauslass 84, 86 fluidisch verbindbar ist. Da die Druckwellen bei gleicher Kurbelwellendrehzahl jeweils in konstanten Zeitabständen abwechselnd in den ersten Abgasrückführkanal 68 und in den zweiten Abgasrückführkanal 70 strömen, sind die Durchgangsöffnungen 88, 90 der beiden Kugelkörper 74, 76 um 90° drehversetzt zueinander ausgebildet. Auch dieses Doppelkugelventil 72 wird in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 angetrieben, allerdings beträgt diese Drehzahl lediglich einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder, im vorliegenden Fall also der 1,5 fachen Drehzahl der Kurbelwelle, wodurch das Doppelkugelventil 72 pro Öffnung eines Auslassventils 16 bei Aufwärtsbewegung des Kolbens im Zylinder 12 ebenfalls einmal einen der Abgasrückführkanäle 68, 70 freigibt. Hierzu kann das Doppelkugelventil 72 in gleicher Weise entweder direkt gekoppelt über ein Getriebe oder einen Riemen- oder Kettentrieb 44 oder über einen Elektromotor 54 in einem festen Drehzahlverhältnis zur Auslassnockenwelle 20 angetrieben werden. Im Übrigen gelten für diese Ausführung die gleichen Möglichkeiten zur Phasenverschiebung der Doppelkugelventilöffnungsphase zur Auslassnockenwellenphase zur optimalen Anpassung der Öffnungszeit in Abhängigkeit des Lastzustandes des Verbrennungsmotors 10 oder gewünschten Verstellung in Richtung einer Asynchronität zur Abgasmengenregelung.
  • Die beschriebenen Abgasrückführsysteme ermöglichen eine deutliche Erhöhung des möglichen, insbesondere in einem Hochdruckabgasrückführkanal, zurückgeführten Abgasstroms durch vollständige Nutzung der vorhandenen Abgaspulsationen und Maximierung der freizugebenden Durchmesser in Phasen eines triebenden Druckgefälles aufgrund der Pulsationen. Rückströmungen werden gleichzeitig zuverlässig verhindert. Die vorgeschlagenen Kugelventile dienen somit als aktiv einstellbare Rückschlagventile oder falls gewünscht auch zusätzlich zur Abgasmengenregelung.
  • Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen denkbar sind. Insbesondere ist die Verwendung eines Elektromotors zum Antrieb der Kugelventile aber auch jegliche Kopplung an eine der Nockenwellen oder die Kurbelwelle zum Antrieb denkbar. Dies kann über Getriebe, Riemen oder Ketten erfolgen. Auch ist es möglich bei Verwendung eines gekoppelten Antriebs diesen ebenfalls phasenverstellbar auszuführen. Hierzu sind beispielswiese Phasensteller aus dem Bereich der Nockenwellenverstellung bekannt. Das Doppelkugelventil kann zwei direkt miteinander verbundene Kugelkörper aufweisen und ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Kopplung zwischen den Kugelkörpern kann direkt beispielsweise über Formschluss oder mit einer zwischengeschalteten Kupplung beliebiger Art erfolgen. Auch ist selbstverständlich eine Anpassung des Systems an Motoren mit anderen Zylinderzahlen mit beliebiger Lage zueinander möglich.

Claims (10)

  1. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführkanal (26, 68, 70), über den ein Abgaskrümmer (30, 60, 62) des Verbrennungsmotors (10) fluidisch mit einem Ansaugkanal (24) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, einem Gehäuse (40, 78) im Abgasrückführkanal (26, 68, 70), an dem ein Abgaseinlass (50, 80, 82) und ein Abgasauslass (52, 84, 86) ausgebildet sind,
    einem Kugelventil (38, 72) mit einer durchgehenden Durchgangsöffnung (48, 88, 90), welches in dem Gehäuse (40, 78) zwischen dem Abgaseinlass (50, 80, 82) und dem Abgasauslass (52, 84, 86) drehbar angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kugelventil (38, 72) zumindest bei unverändertem Lastzustand des Verbrennungsmotors (10) mit einem festen Drehzahlverhältnis zu einer Auslassnockenwelle (20) zur Betätigung von Auslassventilen (16) des Verbrennungsmotors (10) angetrieben ist.
  2. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Abgasrückführkanal (26, 68, 70) ein Abgasrückführventil (34) stromaufwärts des Kugelventils (38, 72) angeordnet ist.
  3. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Abgasrückführventil (34) und dem Kugelventil (38, 72) ein Abgaskühler (36) angeordnet ist.
  4. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Drehung des Kugelventils (38, 72) zur Drehung der Auslassnockenwelle (20) phasenverschiebbar ist.
  5. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kugelventil (38, 72) über einen Elektromotor (54) angetrieben ist.
  6. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kugelventil (38, 72) über einen mit der Auslassnockenwelle (20) oder der Kurbelwelle verbundenen Riementrieb oder Kettentrieb (44) angetrieben ist.
  7. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Drehzahl des Kugelventils (38) der halben Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder (12) entspricht.
  8. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Verbrennungsmotor (10) zwei getrennte Zylinderbänke (56, 58) aufweist, wobei jeder Zylinderbank (56, 58) ein Abgasrückführkanal (68, 70) zugeordnet ist, wobei in beiden Abgasrückführkanälen (68, 70) jeweils ein Kugelkörper (74, 76) eines als Doppelkugelventil (72) ausgeführten Kugelventils angeordnet ist.
  9. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kugelkörper (74, 76) des Doppelkugelventils (72) drehfest miteinander gekoppelt sind und gemeinsam angetrieben sind, wobei eine im ersten Kugelkörper (74) ausgebildete Durchgangsöffnung (88) um 90° drehversetzt zu einer im zweiten Kugelkörper (76) ausgebildeten Durchgangsöffnung (90) angeordnet ist.
  10. Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Drehzahl des Doppelkugelventils (72) einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl multipliziert mit der Anzahl der Zylinder (12) entspricht.
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