WO1999014477A1 - Anordnung zur rückführung von abgas bei einem verbrennungsmotor - Google Patents

Anordnung zur rückführung von abgas bei einem verbrennungsmotor Download PDF

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Thomas Jessberger
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for recycling exhaust gas in an internal combustion engine according to the preamble of the main claim.
  • exhaust gases of the internal combustion engine are returned to the intake duct for the internal combustion engine from the exhaust pipe.
  • the connecting pipe is embedded over a wide area in a heat exchanger for cooling the recirculated exhaust gas.
  • the recirculated exhaust pipe is attached to the plastic intake pipe with a flange by means of two screws.
  • mixed air for cooling is supplied in the region of the flange by means of a diffuser pipe.
  • thermal peaks occur especially in the areas of the seals, generally made of plastic, at the connection of the connecting line for the recirculated exhaust gas and in areas which lie opposite the inflow opening. It is often difficult to dissipate sufficient heat due to the relatively small cross sections and relatively long distances. In many applications in connection with direct-injection engines, because of the expected recirculation rate of the exhaust gas (up to 50%), the demand for cylinder-selective introduction of the exhaust gas is often made, which leads to further thermal problems.
  • the invention has for its object to develop an arrangement of the type mentioned so that an optimal lowering of the temperature is possible.
  • the arrangement according to the invention is advantageously suitable, starting from the generic type, to solve the problem with the characterizing features of the main claim. Because a cooling element in the form of a cooling channel for cooling liquid, which is integrated in the flange-like connection of the connecting pipe on the intake pipe, is attached to a connecting pipe for the recirculated exhaust gas, the thermal load on the plastic intake pipe can be reduced with simple means even at higher recirculation rates become. The temperature of the intake air in the intake pipe can also be influenced positively.
  • the arrangement according to the invention reduces the thermal load on the internal combustion engine, the exhaust gas temperature, the NOx emission and the fuel consumption. If the cooling liquid used for the engine cooling is used as the cooling liquid, this also results in a simple and inexpensive construction.
  • the cooling channel can advantageously be integrated into the intake pipe, usually made of plastic, the transition of the cooling channel into the internal combustion engine being placed in the cylinder head flange of the engine and the interface being sealed here with an additional seal.
  • the cooling element is a solid, heat-conducting part that Part of the connecting line and in the area of the flange-like connection of the intake pipe is attached to the cylinder head. Due to the massive connection, for example of the distributor pipe for the recirculated exhaust gas, to the cylinder head, the gases flowing through can be cooled in a simple manner via the cylinder head flange, which has cooling channels anyway.
  • the fastening elements of the intake pipe on the cylinder head can at least partially be used as fastening elements of the solid part.
  • cooling channel through which cooling liquid flows in the area where the solid part is attached in the cylinder head or at least partially in the solid part, as a result of which the cooling capacity can be further optimized.
  • the massive heat-conducting part is a tubular insert that is integrated inside the intake pipe.
  • One end of this insert is in thermal contact with the cylinder head.
  • this heat transfer can also be increased by the fact that the end face of the insert resting on the cylinder head has an enlarged diameter.
  • the pipe-like connecting line for the recirculated exhaust gas is led out through the wall of the intake pipe on the side of the insert.
  • the connecting line and the insert are connected to one another in a gastight manner, so that no seals between the connecting line and the intake pipe are necessary.
  • the inflowing exhaust gas thus hits the inner wall of the cooled insert and therefore does not represent an increased thermal load on the plastic of the intake pipe.
  • Figure 1 is a schematic view of a cylinder head of the internal combustion engine with a coolant-cooled connection of the recirculated exhaust gas to the intake pipe;
  • Figure 2 shows a section through the connecting flange for the recirculated exhaust gas with a cooling channel
  • Figure 3 is a schematic view of a manifold for the recirculated exhaust gas with a massive connection to the cylinder head;
  • Figure 4 shows a section through the arrangement of Figure 3;
  • FIG. 5 shows a detailed drawing of a modified embodiment of the arrangement according to FIGS. 3 and 4;
  • Figure 6 shows a section through an embodiment with a heat-contacted insert
  • FIG. 7 shows a detailed drawing of a modified embodiment of the arrangement according to FIG. 6.
  • a cylinder head 1 of an internal combustion engine is shown with the essential parts here.
  • the exhaust gas in the connecting line 4 has a correspondingly high Te owing to the combustion in the engine. temperature, which may damage the intake manifold and the neighboring units, as these are designed for normal air temperatures and are largely made of plastic.
  • a cooling duct 5 is connected to the connecting flange 2 for the recirculated exhaust gas, through which the coolant which is necessary for the engine anyway flows according to the arrows 6a (inlet) and 6b (outlet).
  • FIG. 2 shows the guidance of this cooling channel 5 around the connecting flange 2 and thus around the connecting pipe 4 for the recirculated exhaust gas in another view.
  • the flange contour according to FIG. 2 is fastened to the plastic suction pipe 2 with two screws 7.
  • the connecting tube 4 is inserted in the middle of this flange contour.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment can be seen in FIG. 3, in which a distributor pipe 10 for recirculated exhaust gas is arranged on a cylinder block 11. This arrangement can be seen in section from FIG.
  • the recirculated exhaust gas flows through the cross section 12 of the distributor pipe 10 and is in each case passed via pipes 13 and corresponding connecting flanges 14 into an intake pipe 15.
  • already existing screw connections 16 possibly via a metal sleeve 17, can be used here for the intake pipe 15.
  • a cooling channel 18 is arranged in the cylinder block 11, through which the cooling liquid flows.
  • a cooling duct 19 can also be at least partially integrated into the distributor pipe 10. be grated, with additional seals 20 being necessary here.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment which has a metallic insert 21 which is attached in the plastic intake pipe 22 in such a way that an end 23 abuts the cylinder head 24 under thermal contact.
  • a cooling duct 25 is also arranged in the cylinder head 24.
  • a connecting pipe 26 for the recirculated exhaust gas is inserted firmly and gas-tight into the insert 21.
  • a free distance 27 is attached to the surrounding plastic of the intake pipe 22, since the relatively high temperatures of the connecting pipe 26 should not damage the plastic of the intake pipe 22.
  • the recirculated exhaust gas flows according to the arrows 28 into the relatively cool insert 21 and rebounds there, so that the thermal load on the plastic of the intake pipe does not become high.
  • the area of the front end 23 of the insert is enlarged according to FIG. 7, so that an even better thermal contact between the insert 21 and the cylinder head 24 is achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückführung von Abgas bei einem Verbrennungsmotor, bei der eine Verbindungsleitung (4; 10, 13; 26) für das rückgeführte Abgas unter Zwischenschaltung von Kühlelementen an ein Ansaugrohr (2; 15; 22) angeschlossen ist. Das Kühlelement ist zum Beispiel ein Kühlkanal (5; 18; 19; 25) für Kühlflüssigkeit, der in den flanschartigen Anschluss der Verbindungsleitung (4; 10, 13; 26) am Ansaugrohr (2; 15; 22) integriert ist, oder ein sonstiges wärmeleitendes Teil.

Description

Anordnung zur Rückführung von Abgas bei einem Verbrennungsmotor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückführung von Abgas bei einem Verbrennungsmotor nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Bei einer aus der DE 30 34 971 C2 bekannten Anordnung dieser Art werden Abgase des Verbrennungsmotors vom Ab- gasrohr dem Ansaugkanal für den Verbrennungsmotor wieder zugeführt. Das Verbindungsrohr ist hier zur Kühlung des ruckgefuhrten Abgases über weite Bereiche in einen Wärmetauscher eingebettet. Es ist für sich gesehen auch bekannt, dass das rückgeführte Abgasrohres mit einem Flansch über zwei Schrauben am Ansaugrohr aus Kunststoff befestigt wird. Um eine thermische Entkopplung des Abgasrohres von dem Ansaugrohr zu bewirken, wird hier im Bereich des Flansches mittels eines Diffusorrohres Mischluft zur Kühlung zugeführt. Mit dieser Anordnung kann die Abgastemperatur im Bereich des Flansches von ca. 450°C auf ca. 125°C bei einer Rückführrate von ca. 20% abgesenkt werden.
Thermische Spitzen treten bei solchen Anordnungen speziell in den Bereichen der Dichtungen, in der Regel aus Kunststoff, am Anschluss der Verbindungsleitung für das rückgeführte Abgas und in Bereichen auf, die der Einströmöffnung gegenüberliegen. Hierbei ist es oft schwierig aufgrund der relativ kleinen Querschnitte und relativ langen Wege ausreichend Wärme abzuführen. Bei vielen Anwendungsfällen im Zusammenhang mit direkteinspritzenden Motoren wird auch wegen der zu erwartenden Rückführrate des Abgases (bis zu 50%) häufig die Forderung nach einer zylinderselektiven Einleitung des Abgases gestellt, was zu weitere thermischen Problemen führt.
Auf abenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine optimale Absenkung der Temperatur möglich ist.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung ist in vorteilhafter Weise geeignet, ausgehend von der gattungsgemäßen Art, die gestellte Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs zu lösen. Dadurch, dass in eine Verbindungsleitung für das rückgeführte Abgas ein Kühlelement in Form eines Kühlkanals für Kühlflüssigkeit, welcher in den flanschartigen Anschluss der Verbindungsleitung am Ansaugrohr integriert ist, angebracht ist, kann die thermische Belastung des Kunststoff-Ansaugrohres auch bei höheren Rückführraten mit einfachen Mitteln vermindert werden. Auch die Temperatur der angesaugten Luft im Ansaugrohr kann damit positiv beeinflusst werden.
Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung die thermische Belastung des Verbrennungsmotors, die Abgastemperatur, die NOx-Emission und der Kraftstoffverbrauch verringert. Wenn als Kühlflüssigkeit die Kühlflüssigkeit für die Motorkühlung herangezogen wird, ergibt sich darüber hinaus ein einfacher und kostengünstiger Aufbau.
Der Kühlkanal kann dabei in vorteilhafter Weise in das Ansaugrohr, in der Regel aus Kunststoff, integriert sein, wobei der Übergang des Kühlkanals in den Verbrennungsmotor in den Zylinderkopfflansch des Motors gelegt ist und die Schnittstelle hier mit einer zusätzlichen Dichtung abgedichtet ist. Es ist alternativ auch möglich, eine separate Kühlleitung in den Flansch zwischen dem Abgasrohr und dem Ansaugrohr zu legen oder dass der Kühlkanal auch auf einer vorgegebenen Länge in oder an das Abgasrohr gelegt ist, bzw. der Kühlkanal in das Abgasrohr integriert ist .
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlelement ein massives, wärmeleitendes Teil, das Be- standteil der Verbindungsleitung und im Bereich des flanschartigen Anschlusses des Ansaugrohres am Zylinderkopf angebracht ist. Durch die massive Anbindung, beispielsweise des Verteilerrohres für das rückgeführte Abgas, an den Zylinderkopf können die durchströmenden Gase auf einfache Weise über den Zylinderkopfflansch gekühlt werden, der ohnehin Kühlkanäle aufweist.
In vorteilhafter Weise können dabei als Befestigungselemente des massiven Teils die Befestigungselemente des Ansaugrohres am Zylinderkopf zumindest teilweise mit herangezogen werden.
Es ist auch in vorteilhafter Weise möglich, einen mit Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkanal im Bereich der Anbringung des massiven Teils im Zylinderkopf oder auch zumindest teilweise im massiven Teil vorzusehen, wodurch die Kühlleistung weiter optimiert werden kann.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das massive wärmeleitende Teil ein rohrförmiges Insert, dass innen in das Ansaugrohr integriert ist. Mit einer Stirnseite liegt dieses Insert unter Wärmekontakt am Zylinderkopf an. Mit dieser Anordnung kann auf einfache Weise bei der Montage des Ansaugrohres an den Zylinderkopf eine guter Wärmeübergang zwischen dem Insert, das vorzugsweise aus Metall ist, und dem Zylinderkopf geschaffen werden. Durch diesen Wärmeübergang kann die Wärmeenergie, die durch das Abgas zugeführt wird in den gekühlten Zylinderkopf abgeführt werden.
Dieser Wärmeübergang kann bei Bedarf auch dadurch vergrößert werden, dass die am Zylinderkopf anliegende Stirnseite des Inserts eine Durchmessererweiterung aufweist. Seitlich am Insert ist die rohrartige Verbindungsleitung für das rückgeführte Abgas durch die Wand des Ansaugrohres herausgeführt. Die Verbindungsleitung und das Insert sind hierbei gasdicht miteinander verbunden, wodurch keine Dichtungen zwischen der Verbindungsleitung und dem Ansaugrohr notwendig sind. Das einströmende Abgas prallt somit auf die Innenwand des gekühlten Inserts und stellt daher keine erhöhte thermische Belastung für den Kunststoff des Ansaugrohres dar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Bereich der Durchführung des Verbindungsrohres eine Aussparung im Ansaugrohr ist, zur Bildung eines radialen Abstandes zum Verbindungsrohr und damit zur Verhinderung einer eventuellen thermischen Belastung des Ansaugrohres in diesem Bereich.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas bei einem Verbrennungsmotor werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipansicht eines Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors mit einen kühlmittelgekühlten Anschluss des rückgeführten Abgases an das Ansaugrohr;
Figur 2 einen Schnitt durch den Anschlussflansch für das rückgeführte Abgas mit einem Kühlkanal;
Figur 3 eine Prinzipansicht eines Verteilerrohrs für das rückgeführte Abgas mit einem massiven Anschluss an den Zylinderkopf;
Figur 4 einen Schnitt durch die Anordnung nach der Figur 3;
Figur 5 eine Detailzeichnung einer abgewandelten Ausführung der Anordnung nach den Figuren 3 und 4;
Figur 6 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit einem wärmekontaktierten Insert und
Figur 7 eine Detailzeichnung einer abgewandelten Ausführung der Anordnung nach der Figur 6.
Beschreibung der Äusführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Zylinderkopf 1 eines Verbrennungsmotors mit den hier wesentlichen Teilen gezeigt. An einem Ansaugrohr 2, durch das die Luft zu den Brennkammern des Verbrennungsmotors gelangt ist ein Anschluss 3 für eine Verbindungsleitung 4 vorhanden, über die von der Abgas- leitung abgezweigtes Abgas in das Ansaugrohr 2 zurückgeführt wird. Das Abgas in der Verbindungsleitung 4 hat eine durch die Verbrennung im Motor entsprechend hohe Te - peratur, die das Ansaugrohr und die benachbarten Aggregate ev. beschädigen können, da diese für normale Lufttemperaturen ausgelegt sind und größtenteils aus Kunststoff hergestellt sind.
Am Anschlussflansch 2 für das rückgeführte Abgas ist ein Kühlkanal 5 angeschlossen, durch den das für den Motor ohnehin notwendige Kühlmittel gemäß der Pfeile 6a (Zulauf) und 6b (Ablauf) fließt. In Figur 2 ist die Führung dieses Kühlkanals 5 um den Anschlussflansch 2 und somit um das Verbindungsrohr 4 für das rückgeführte Abgas in einer anderen Ansicht gezeigt. Die Flanschkontur nach der Figur 2 ist mit zwei Schrauben 7 an dem Kunststoffan- saugrohr 2 befestigt. In der Mitte dieser Flanschkontur ist das Verbindungsrohr 4 eingeführt.
Aus Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem ein Verteilerrohr 10 für rückgeführtes Abgas auf einem Zylinderblock 11 angeordnet ist. Aus Figur 4 ist diese Anordnung im Schnitt zu erkennen. Das rückgeführte Abgas strömt durch den Querschnitt 12 des Verteilerrohrs 10 und wird jeweils über Rohre 13 und entsprechende Anschlussflansche 14 in ein Ansaugrohr 15 geleitet. Für die Befestigung des Verteilerrohres 10 am Zylinderkopf 11 können hier vorzugsweise bereits vorhandene Verschraubun- gen 16, ev. über eine Metallhülse 17, für das Ansaugrohr 15 mitbenutzt werden.
Im Zylinderblock 11 ist in der Figur 4 ein Kühlkanal 18 angeordnet, durch den die Kühlflüssigkeit fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 kann ein Kühlkanal 19 auch zumindest teilweise in das Verteilerrohr 10 inte- griert werden, wobei hier noch zusätzliche Dichtungen 20 notwendig sind.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das ein metallisches Insert 21 aufweist, welches im Kunststoffan- saugrohr 22 derart angebracht ist, dass ein stirnseitiges Ende 23 unter Wärmekontakt am Zylinderkopf 24 anliegt. Im Zylinderkopf 24 ist auch ein Kühlkanal 25 angeordnet. In das Insert 21 ist seitlich ein Verbindungsrohr 26 für das rückgeführte Abgas fest und gasdicht eingeführt. Zum umgebenden Kunststoff des Ansaugrohres 22 ist hier ein freier Abstand 27 angebracht, da die relativ hohen Temperaturen des Verbindungsrohres 26 den Kunststoff des Ansaugrohres 22 nicht beschädigen sollen.
Das rückgeführte Abgas strömt gemäß der Pfeile 28 in das relativ kühle Insert 21 und prallt dort ab, so dass die thermische Belastung des Kunststoffs des Ansaugrohres nicht hoch wird. Um die Kühlung des Inserts 21 noch zu verbessern ist gemäß Figur 7 die Fläche des stirnseitigen Endes 23 des Inserts vergrößert, so dass ein noch besserer Wärmekontakt zwischen dem Insert 21 und dem Zylinderkopf 24 erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1) Anordnung zur Rückführung von Abgas bei einem Verbrennungsmotor, bei der
- eine Verbindungsleitung (4; 10, 13; 26) für das rückgeführte Abgas unter Zwischenschaltung von Kühlelementen an ein Ansaugrohr (2; 15; 22) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Kühlelement ein Kühlkanal (5; 18; 19; 25) für Kühlflüssigkeit ist, der in den flanschartigen Anschluss der Verbindungsleitung (4;10,13;26) am Ansaugrohr (2;15;22) integriert ist.
2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlflüssigkeit die Kühlflüssigkeit für die Motorkühlung herangezogen ist.
3) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (5) in das Ansaugrohr (2) aus Kunststoff integriert ist, wobei der Übergang des Kühlkanals (5) in -lü¬
den Verbrennungsmotor in den Zylinderkopfflansch (1) des Motors gelegt ist und die Schnittstelle hier mit einer zusätzlichen Dichtung abgedichtet ist.
4) Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Kühlleitung in den Flansch zwischen dem Abgasrohr und dem Ansaugrohr gelegt ist.
5) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kühlkanal auch auf einer vorgegebenen Länge in oder an das Abgasrohr gelegt ist.
6) Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kühlkanal in das Abgasrohr integriert ist.
7) Anordnung zur Rückführung von Abgas bei einem Verbrennungsmotor, bei der
- eine Verbindungsleitung für das rückgeführte Abgas unter Zwischenschaltung von Kühlelementen an ein Ansaugrohr angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein massives, wärmeleitendes Teil (10;21) ist, das zumindest teilweise Bestandteil der Verbindungsleitung (10;26) und im Bereich des flanschartigen Anschlusses des Ansaugrohres (15; 22) am Zylinderkopf (11; 24) angebracht ist. 8) Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- als Befestigungselemente (16) des massiven Teils die Befestigungselemente des Ansaugrohres (15) am Zylinderkopf (11) zumindest teilweise herangezogen sind.
9) Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- im massiven Teil (10) das Verteilerrohr für die Verteilung des rückgeführten Abgases auf mehrere Zylinder angeordnet ist.
10) Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein mit Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlkanal (18; 19) im Bereich der Anbringung des massiven Teils (10) im Zylinderkopf (11) oder auch zumindest teilweise im massiven Teil (10) verläuft.
11) Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- das massive wärmeleitende Teil ein rohrförmiges Insert (21) im Ansaugrohr (22) ist, dass mit einer Stirnseite (23) unter Wärmekontakt am Zylinderkopf (24) anliegt und dass
- seitlich am Insert (21) die rohrartige Verbindungsleitung (26) durch die Wand des Ansaugrohres (22) herausgeführt ist. 12) Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- im Bereich der Durchführung des Verbindungsrohres (26) eine freie Aussparung (27) im Ansaugrohr (22) ist, zur Bildung eines radialen Abstandes zum Verbindungsrohr (26) .
13) Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- die am Zylinderkopf (24) anliegende Stirnseite (23) des Inserts (21) eine durch Erweiterung des äußeren Durchmessers vergrößerte Fläche aufweist.
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