WO2018114027A1 - Internal combustion engine having exhaust gas recirculation - Google Patents

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WO2018114027A1
WO2018114027A1 PCT/EP2017/001343 EP2017001343W WO2018114027A1 WO 2018114027 A1 WO2018114027 A1 WO 2018114027A1 EP 2017001343 W EP2017001343 W EP 2017001343W WO 2018114027 A1 WO2018114027 A1 WO 2018114027A1
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WO
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exhaust gas
exhaust
internal combustion
gas recirculation
combustion engine
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PCT/EP2017/001343
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Inventor
Rolf Pfeifer
Günther Schmidt
Ralf Speetzen
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
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    • F02M26/42Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders
    • F02M26/43Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders in which exhaust from only one cylinder or only a group of cylinders is directed to the intake of the engine

Definitions

  • the invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation and a control unit and an internal combustion engine.
  • Such internal combustion engines and exhaust gas stirring systems are known from the prior art such as DE 10 2004 015 108 AI or DE 10 2007 01 1 680 AI.
  • the exhaust gas cooler is exposed to changes in the operating state, in particular between operating points with and without exhaust gas recirculation, thermal load changes, which leads to shortening the service life of the exhaust gas cooler. Desirable is therefore an extension of the life.
  • an exhaust system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation, wherein the internal combustion engine having a first cylinder group having at least one cylinder and a second cylinder group having at least one cylinder and at least the second cylinder group on the exhaust side via a Manifold is connected to an exhaust gas recirculation device, wherein the exhaust gas recirculation device comprises an exhaust gas cooler, characterized in that in the exhaust gas recirculation means a first exhaust valve for controlling the exhaust gas recirculation rate downstream of the exhaust gas cooler is arranged and that a first exhaust pipe for non-recirculated exhaust gas with a second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler is arranged.
  • the first and second exhaust valves are used to set a desired EGR rate for the respective operating state.
  • the desired EGR rate is determined by the setting set of advantageously matched opening states of the first and second exhaust valve.
  • the opening states may include full-opening states or partial opening states of the first and / or second exhaust gas flap, which are advantageously matched to one another.
  • the required back pressure for the pressure gradient between an exhaust gas side and a charge air side of the internal combustion engine is set via the first and second exhaust gas flaps.
  • the amount of cooled exhaust gases can be adjusted via the exhaust flaps.
  • the exhaust flaps can be designed for example as valves or fixed blinds. The invention is based on the consideration that the life of the exhaust gas cooler is largely determined by the number of thermal load changes.
  • any change in the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas mass flow leads to internal stresses of the exhaust gas cooler and thus to a lifetime consumption.
  • the control of the exhaust valves causes additional thermal load alternation as the engine operating condition approaches, for example, a map point without exhaust gas recirculation a map point with exhaust gas recirculation changes.
  • the exhaust gas cooler is cooled almost to coolant temperature (80 ° C to 95 ° C), at other map points, the inlet temperature of the exhaust gas depending on the concept rise to 700 ° C.
  • the invention is based on the recognition that a low thermal load can be achieved by thermal load changes in the exhaust gas cooler when the amount of exhaust gas that is passed through the exhaust gas cooler can be adjusted independently of the EGR rate. This is realized via the arrangement of the first exhaust pipe downstream of the exhaust gas cooler.
  • the minimum temperature in the exhaust gas cooler of about 85-90 ° C is increased to 200 ° C, which reduces the maximum temperature difference between two operating points of the internal combustion engine in the exhaust gas cooler from 620 K to about 500 K. Due to the low thermal load change as an extension of the life of the exhaust gas cooler is achieved.
  • Exhaust gas recirculation may be a low pressure exhaust gas recirculation, a high pressure exhaust gas recirculation or an exhaust gas recirculation according to the donor cylinder concept.
  • the exhaust gas cooler is integrated with a bypass in an exhaust stream or an exhaust pipe of the internal combustion engine and the first and second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler, the EGR rate and the pressure gradient is controlled or regulated.
  • the first exhaust pipe (211) for non-recirculated exhaust gas is arranged with the second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler between the exhaust gas cooler (EGR-WT) and a turbine.
  • the amount of cooled exhaust gas supplied to a turbine can be adjusted via the first and second exhaust valves.
  • an exhaust gas recirculation in the form of a donor cylinder exhaust gas recirculation is advantageous, with only the second cylinder group is connected on the exhaust side via a manifold with a Abgasriere arrangements driven.
  • FIG. 1 A prior art dispenser cylinder system is shown in FIG. The system only takes part of the cylinders of the engine as exhaust gas recirculation dispensers.
  • An exhaust flap (dispenser cylinder flap) accumulates the exhaust gas flow to the donor cylinders and thus ensures the necessary pressure gradient between the exhaust and charge air side.
  • the charge can be optimized to very good efficiencies, of the charge cycle losses are affected only the donor cylinder.
  • the known donor cylinder concept ensures less consumption, because it reduces the motor charge cycle losses and allows higher turbocharger efficiencies. This requires an additional dispenser cylinder exhaust damper compared to high pressure exhaust gas recirculation.
  • EGR rates exhaust gas recirculation rates
  • the first exhaust gas flap from the region of the uncooled exhaust gas with temperatures of up to 700 ° C. (as known in the prior art) is laid according to the invention in the region of the cooled exhaust gas, where the maximum exhaust gas temperature is only 140 ° C.
  • the thermal requirements for the first exhaust flap are thus significantly reduced. This contributes to a longer life of the first exhaust flap and thus lower costs.
  • a second exhaust gas line with a third exhaust gas valve is arranged in addition to the first exhaust gas line, which is connected via the manifold to the second cylinder group and connects them directly to the turbine.
  • the third exhaust flap for adjusting the required back pressure for the pressure gradient between the exhaust gas side and the charge air side of the internal combustion engine can be used in addition.
  • the second and the third Exhaust damper sets the amount of non-recirculated exhaust gas to be cooled, which is passed over the exhaust gas cooler. This amount of exhaust gas is correspondingly not conducted via the second exhaust pipe to the turbine, but via the first exhaust pipe.
  • the exhaust gas cooler has a coolant circuit with a bypass around the exhaust gas cooler, in which a bypass flap is arranged.
  • the amount of coolant in the exhaust gas cooler can be regulated so that in the event that less or colder exhaust gas is passed in the current operating state via the exhaust gas cooler.
  • the cooling can be reduced and the temperature of the exhaust gas cooler is subject to reduced fluctuations despite reduced exhaust gas quantity or temperature in certain operating states.
  • the invention relates to a control unit for an internal combustion engine with an exhaust gas routing system as described above, wherein the control unit is designed, to a detected current operating state out, a required exhaust gas recirculation rate and a quantity of cooling gas needed to maintain a predetermined temperature range in the exhaust gas cooler not to determine recirculated exhaust gas and to cause one of the required Abgas Wegschreibungsrate and the required amount corresponding matched opening of the first exhaust valve and the second and / or the third exhaust valve.
  • the control unit is additionally designed to initiate the setting of a predetermined coolant rate in the exhaust gas cooler via a corresponding opening of the bypass valve according to the required exhaust gas recirculation rate and the required amount of non-recirculated exhaust gas to be cooled.
  • the temperature of the exhaust gas cooler is influenced both by the amount of exhaust gas and by the amount of coolant.
  • a regulation of the exhaust gas cooler temperature is possible that at lower Exhaust gas amounts or low exhaust gas temperature less coolant is used to cool the exhaust gas and so the temperature of the exhaust gas cooler can be maintained at a higher level than in conventional exhaust system and thus the life of the exhaust gas cooler can be further extended.
  • the invention relates to an internal combustion engine with a previously described exhaust system according to the first aspect.
  • the internal combustion engine shares the advantages of the exhaust system according to the first aspect.
  • an internal combustion engine is advantageous, which additionally has a control device according to the second aspect of the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation according to the donor cylinder concept according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an exhaust system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an alternative embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas duct according to the invention
  • an internal combustion engine 100 with exhaust gas recirculation according to the dispenser cylinder concept according to the prior art is shown.
  • the internal combustion engine 100 includes an engine 101 with two cylinder groups 120, 130 and a control unit ECU - shown here only symbolically.
  • the internal combustion engine 100 further comprises a high-pressure turbocharger 121 with a turbine and a compressor and two low-pressure turbochargers 122, 123, wherein a respective air filter LF upstream and downstream of the compressor of the low-pressure turbocharger each intercooler ZwK is arranged upstream of the compressor air side.
  • the charge air is then passed through a high-pressure turbocharger 121 and fed to a throttle valve 4 a charge air cooler 140 and then the cylinders Al -A6, Bl - B6 of the two cylinder groups 120, 130.
  • a throttle valve 4 a charge air cooler 140
  • the exhaust gases of the cylinders of the respective cylinder group 120, 130 are collected.
  • the exhaust gases of the first cylinder group 130 are then supplied to the turbine of the high-pressure turbocharger 121.
  • a portion of the exhaust gases of the first cylinder group 130 is thereby passed via a bypass of the high-pressure turbocharger HD stage of the first cylinder group 130 directly to the turbines of the low-pressure turbocharger LP stage.
  • an exhaust bypass door 3 is arranged.
  • the cylinders A1-A6 serve as donor cylinders.
  • Their exhaust gas is partly via an exhaust gas recirculation device, in which an exhaust gas cooler AGR-WT is arranged, which is designed here as a heat exchanger, mixed with charge air from the intercooler and the charge air side the cylinders of the first and second cylinder group fed again.
  • the exhaust gas recirculation rate is set via the exhaust flaps 1 and 2.
  • the exhaust valves 1 and 2 also serve the backflow of the exhaust gas to produce a necessary for the functioning of the system back pressure for the required pressure difference between the charge air and exhaust side.
  • the amount of exhaust gas required to comply with the emissions becomes set in the system shown here with donor cylinder exhaust gas recirculation through the exhaust valves 1 and 2 and only this amount of exhaust gas is passed through the exhaust gas cooler, the rest of the exhaust gas from the donor cylinder flows through the exhaust valve 1 on the exhaust gas cooler over to the turbine.
  • the internal combustion engine shown in FIG. 2 is also constructed according to the dispenser cylinder concept for exhaust gas recirculation. Therefore, the differences between the internal combustion engine with exhaust gas routing system according to the prior art of FIG. 1 and that with exhaust gas routing system according to FIG. 2 will be described below, wherein like reference numerals generally designate like components and configurations.
  • the internal combustion engine 200 like the internal combustion engine 100, has an engine 101 with two cylinder banks 120, 130 as well as a control unit ECU.
  • the internal combustion engine 200 further comprises a high-pressure turbocharger 121 with a turbine and a compressor and two low-pressure turbochargers 122, 123, wherein an air filter LF upstream of the compressor of the low-pressure turbocharger and an intercooler ZwK downstream is arranged upstream of the compressor of the low-pressure turbocharger.
  • the charge air is subsequently conducted via a high-pressure turbocharger 121 and a throttle valve 4 is supplied to a charge air cooler 140 and then to the cylinders AI-A6, B-B6 of the two cylinder groups 120, 130.
  • the exhaust gases of the cylinders of the respective cylinder group 120, 130 are collected.
  • the exhaust gases of the first cylinder group 130 are then supplied to the turbine of the high-pressure turbocharger 121.
  • a portion of the exhaust gases of the first cylinder group 130 is thereby passed via a bypass of the high-pressure turbocharger HD stage of the first cylinder group 130 directly to the turbines of the low-pressure turbocharger LP stage.
  • an exhaust bypass door 3 is arranged.
  • the cylinders A1-A6 serve as donor cylinders. Some of their exhaust gas is mixed with charge air from the intercooler 140 via an exhaust gas routing system 210, in which an exhaust gas cooler AGR-WT is arranged here as a heat exchanger, and returned to the cylinders of the first and second cylinder groups on the charge air side.
  • the exhaust gas recirculation rate is set via a first exhaust gas flap 2 'and a second exhaust gas flap.
  • all of the exhaust gas from the donor cylinders of the second cylinder group 120 is directed via the exhaust gas cooler EGR-WT, thus increasing the minimum temperature in the exhaust gas cooler compared to the system of FIG.
  • the second exhaust flap also serves the backflow of the exhaust gas to generate a necessary for the functioning of the system dynamic pressure for the required pressure gradient between the charge air and exhaust side.
  • the flaps are controlled so that only a subset of the cooled exhaust gas is mixed via the first exhaust flap 2 'of the fresh air, the remaining cooled exhaust gas is mixed via the second exhaust valve the uncooled exhaust gas of the other cylinder of the first cylinder group 130 and the turbine of the high-pressure turbocharger 121st directed.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an internal combustion engine 300 with a donor cylinder exhaust gas recirculation.
  • the exhaust gas routing system 310 here, like that in FIG. 2, has a first exhaust gas line 31 1 with a second exhaust gas valve, which connects the latter with the turbine downstream of the exhaust gas cooler AGR-WT.
  • the exhaust gas routing system 310 has a second exhaust pipe 312, which is connected via a manifold 313 on the exhaust side with the second cylinder group 120.
  • a third exhaust valve 5 is arranged in the second exhaust pipe 312.
  • the amount of exhaust gas needed to maintain the emissions is set to an operating condition of the internal combustion engine via the first and third exhaust gas flaps 2 ', 5.
  • the second exhaust valve may be closed in this operating state.
  • the exhaust gas cooler AGR-WT has a coolant circuit 320 with a bypass 321 around the exhaust gas cooler EGR-WT. In the bypass 321, a bypass flap 6 is arranged. By way of the bypass 321 and the bypass flap 6, the coolant quantity in the exhaust gas cooler AGR-WT can be regulated in this embodiment.
  • the bypass flap 6 here designed as a bypass valve, opens so far that the coolant quantity through the exhaust gas cooler is reduced.

Abstract

The invention relates to an exhaust gas routing system for an internal combustion engine having exhaust gas recirculation, wherein the internal combustion engine has at least one second cylinder group having at least one cylinder, which is connected on the exhaust side to an exhaust gas recirculation device via a collection line, wherein the exhaust gas recirculation device has an exhaust cooler, characterized in that a first exhaust flap for controlling the exhaust gas recirculation rate is arranged downstream of the exhaust gas cooler in the exhaust gas recirculation device and a first exhaust line for non-recirculated exhaust is arranged having a second exhaust flap downstream of the exhaust cooler between the exhaust cooler and a turbine.

Description

BESCH REI BU NG Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung  DESCRIPTION OF THE INVENTION Internal combustion engine with exhaust gas recirculation
Die Erfindung betrifft ein Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung sowie ein Steuergerät und eine Brennkraftmaschine. Derartige Brennkraftmaschinen und Abgasrührungssysteme sind aus dem Stand der Technik wie beispielsweise der DE 10 2004 015 108 AI oder der DE 10 2007 01 1 680 AI bekannt. The invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation and a control unit and an internal combustion engine. Such internal combustion engines and exhaust gas stirring systems are known from the prior art such as DE 10 2004 015 108 AI or DE 10 2007 01 1 680 AI.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten wird der Abgaskühler bei Änderung des Betriebszustandes, insbesondere zwischen Betriebspunkten mit und ohne Abgasrückführung, thermischen Lastwechseln ausgesetzt, was zur Lebensdauerverkürzung des Abgaskühlers führt. Wünschenwert ist daher eine Verlängerung der Lebensdauer. In the concepts known from the prior art, the exhaust gas cooler is exposed to changes in the operating state, in particular between operating points with and without exhaust gas recirculation, thermal load changes, which leads to shortening the service life of the exhaust gas cooler. Desirable is therefore an extension of the life.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, die Lebensdauer von Abgaskühlern insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführung zu verbessern. This is where the invention begins, the object of which is to improve the service life of exhaust gas coolers, in particular in internal combustion engines with exhaust gas recirculation.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abgasführungssystem nach Anspruch 1. Dies ist insbesondere ein Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, wobei die Brennkraftmaschine eine erste Zylindergruppe aufweisend mindestens einen Zylinder und eine zweite Zylindergruppe aufweisend mindestens einen Zylinder aufweist und mindestens die zweite Zylindergruppe abgasseitig über eine Sammelleitung mit einer Abgasrückführungseinrichtung verbunden ist, wobei die Abgasrückführungseinrichtung einen Abgaskühler aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungseinrichtung eine erste Abgasklappe zur Regelung der Abgasrückführungsrate stromabwärts vom Abgaskühler angeordnet ist und dass eine erste Abgasleitung für nicht- rückgeführtes Abgas mit einer zweiten Abgasklappe stromabwärts vom Abgaskühler angeordnet ist. This object is achieved by an exhaust system according to claim 1. This is in particular an exhaust system for an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation, wherein the internal combustion engine having a first cylinder group having at least one cylinder and a second cylinder group having at least one cylinder and at least the second cylinder group on the exhaust side via a Manifold is connected to an exhaust gas recirculation device, wherein the exhaust gas recirculation device comprises an exhaust gas cooler, characterized in that in the exhaust gas recirculation means a first exhaust valve for controlling the exhaust gas recirculation rate downstream of the exhaust gas cooler is arranged and that a first exhaust pipe for non-recirculated exhaust gas with a second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler is arranged.
Die erste und zweite Abgasklappe dienen der Einstellung einer für den jeweiligen Betriebszustand gewünschten AGR-Rate. Die gewünschte AGR-Rate wird über die Einstellung von vorteilhaft aufeinander abgestimmten Öffnungszustände der ersten und zweiten Abgasklappe eingestellt. Die Öffnungszustände können Voll-Öffnungszustände oder Teil- Öff ungszustände der ersten und/oder zweiten Abgasklappe umfassen, die vorteilhaft aufeinander abgestimmt sind. Über die erste und zweite Abgasklappewird insbesondere der benötigte Staudruck für das Druckgefälle zwischen einer Abgasseite und einer Ladeluftseite der Brennkraftmaschine eingestellt. Des Weiteren kann über die Abgasklappen die Menge an gekühltem Abgaseingestellt werden. Die Abgasklappen können beispielsweise als Ventile oder Festblenden ausgeführt sein. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Lebensdauer der Abgaskühler maßgeblich durch die Anzahl der thermischen Lastwechsel bestimmt wird. Jede Änderung der Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstromes führt zu inneren Spannungen des Abgaskühlers und damit zu einem Lebensdauerverbrauch. Insbesondere beim Spenderzylinderkonzept gemäß dem Stand der Technik, wie in Fig. 1 zeigt, aber auch bei Hochdruckabgasrückführungen und in geringerem Ausmaß bei Niederdruckabgasrückführungen wird durch die Steuerung der Abgasklappen eine zusätzliche thermische Wechsellast verursacht, wenn sich der Betriebszustand des Motors beispielsweise einem Kennfeldpunkt ohne Abgasrückführung zu einem Kennfeldpunkt mit Abgasrückführung ändert. Im Betriebspunkt ohne Abgasrückführung wird der Abgaskühler nahezu auf Kühlmitteltemperatur (80°C bis 95 °C) abgekühlt, bei anderen Kennfeldpunkten kann die Eintrittstemperatur des Abgases je nach Konzept bis auf 700°C ansteigen. Aus diesem Grund können auch kleine Änderungen des Betriebspunktes im Kennfeld dazu führen, dass im Abgaskühler eine hohe thermische (und mechanische) Wechsellast verursacht wird, was zu einem erhöhten Lebensdauerverbrauch führt. Zur Lösung der Problematik geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass eine geringe thermische Belastung durch thermische Lastwechsel im Abgaskühler erreicht werden kann, wenn die Abgasmenge, die über den Abgaskühler geleitet wird, unabhängig von der AGR-Rate eingestellt werden kann. Dies wird realisiert über die Anordnung der ersten Abgasleitung stromabwärts vom Abgaskühler. The first and second exhaust valves are used to set a desired EGR rate for the respective operating state. The desired EGR rate is determined by the setting set of advantageously matched opening states of the first and second exhaust valve. The opening states may include full-opening states or partial opening states of the first and / or second exhaust gas flap, which are advantageously matched to one another. In particular, the required back pressure for the pressure gradient between an exhaust gas side and a charge air side of the internal combustion engine is set via the first and second exhaust gas flaps. Furthermore, the amount of cooled exhaust gases can be adjusted via the exhaust flaps. The exhaust flaps can be designed for example as valves or fixed blinds. The invention is based on the consideration that the life of the exhaust gas cooler is largely determined by the number of thermal load changes. Any change in the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas mass flow leads to internal stresses of the exhaust gas cooler and thus to a lifetime consumption. In particular, in the prior art dispenser cylinder concept, as shown in FIG. 1, but also at high pressure exhaust gas recirculation and to a lesser extent at low pressure exhaust gas recirculation, the control of the exhaust valves causes additional thermal load alternation as the engine operating condition approaches, for example, a map point without exhaust gas recirculation a map point with exhaust gas recirculation changes. At the operating point without exhaust gas recirculation, the exhaust gas cooler is cooled almost to coolant temperature (80 ° C to 95 ° C), at other map points, the inlet temperature of the exhaust gas depending on the concept rise to 700 ° C. For this reason, even small changes in the operating point in the map can cause a high thermal (and mechanical) alternating load is caused in the exhaust gas cooler, resulting in an increased service life consumption. To solve the problem, the invention is based on the recognition that a low thermal load can be achieved by thermal load changes in the exhaust gas cooler when the amount of exhaust gas that is passed through the exhaust gas cooler can be adjusted independently of the EGR rate. This is realized via the arrangement of the first exhaust pipe downstream of the exhaust gas cooler.
Es wird somit erreicht, dass zumindest ein Teil des nicht-rückgeführten Abgases über den Abgaskühler geführt wird. Dies hat zur Folge, dass auch bei niedrigen AGR-Raten oder bei abgeschalteter Abgasrückführung eine bestimmte Menge an Abgas über den Abgaskühler geleitet werden. Da nun immer, auch bei abgeschalteter Abgasrückführung, Abgas über den Abgaskühler geleitet wird, wird vermieden, dass die Temperatur des Abgaskühlers auf Kühlmitteltemperatur absenkt wird. Die niedrigste Temperatur im Abgaskühler entspricht damit der minimalen Abgastemperatur im Kennfeld der jeweiligen Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann damit erreicht werden, dass die minimale Temperatur im Abgaskühler von ca. 85-90 °C auf 200 °C erhöht wird, was die maximale Temperaturdifferenz zwischen zwei Betriebspunkten der Brennkraftmaschine im Abgaskühler von 620 K auf ca. 500 K senkt. Durch den geringen thermischen Lastwechsel wird so eine Verlängerung der Lebensdauer des Abgaskühlers erreicht. It is thus achieved that at least a portion of the non-recirculated exhaust gas is passed over the exhaust gas cooler. As a result, even at low EGR rates or when the exhaust gas recirculation is switched off, a certain amount of exhaust gas is conducted via the exhaust gas cooler. Since now always, even with switched off exhaust gas recirculation, exhaust gas on the Is passed exhaust gas cooler, it is avoided that the temperature of the exhaust gas cooler is lowered to the coolant temperature. The lowest temperature in the exhaust gas cooler thus corresponds to the minimum exhaust gas temperature in the map of the respective internal combustion engine. For example, it can be achieved that the minimum temperature in the exhaust gas cooler of about 85-90 ° C is increased to 200 ° C, which reduces the maximum temperature difference between two operating points of the internal combustion engine in the exhaust gas cooler from 620 K to about 500 K. Due to the low thermal load change as an extension of the life of the exhaust gas cooler is achieved.
Abgasrückführung kann eine Niederdruckabgasrückführung, eine Hochdruckabgasrückfuhrung oder eine Abgasrückführung nach dem Spenderzylinderkonzept sein. Exhaust gas recirculation may be a low pressure exhaust gas recirculation, a high pressure exhaust gas recirculation or an exhaust gas recirculation according to the donor cylinder concept.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Abgaskühler mit einem Bypass in einen Abgasstrom oder eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine integriert und über die erste und zweite Abgasklappe stromabwärts des Abgaskühlers wird die AGR-Rate und das Druckgefälle gesteuert oder geregelt. In an advantageous development of the exhaust gas cooler is integrated with a bypass in an exhaust stream or an exhaust pipe of the internal combustion engine and the first and second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler, the EGR rate and the pressure gradient is controlled or regulated.
Vorteilhaft ist die erste Abgasleitung (211) für nicht-rückgeführtes Abgas mit der zweiten Abgasklappe stromabwärts vom Abgaskühler zwischen dem Abgaskühler (AGR-WT) und einer Turbine angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann über die erste und zweite Abgasklappe die Menge an gekühltem Abgas, die einer Turbine zugeführt wird, eingestellt werden. Advantageously, the first exhaust pipe (211) for non-recirculated exhaust gas is arranged with the second exhaust valve downstream of the exhaust gas cooler between the exhaust gas cooler (EGR-WT) and a turbine. In this embodiment, the amount of cooled exhaust gas supplied to a turbine can be adjusted via the first and second exhaust valves.
Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruckabgasrückführung oder Abgasrückführung nach dem Spenderzylinderkonzept vorteilhaft. Insbesondere ist eine Abgasrückführung in Form einer Spenderzylinderabgasrückführung vorteilhaft, wobei nur die zweite Zylindergruppe abgasseitig über eine Sammelleitung mit einer Abgasräckführungseinrichtung verbunden ist. This is particularly advantageous in internal combustion engines with high-pressure exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation according to the dispenser cylinder concept. In particular, an exhaust gas recirculation in the form of a donor cylinder exhaust gas recirculation is advantageous, with only the second cylinder group is connected on the exhaust side via a manifold with a Abgasräckführungseinrichtung.
Ein System mit Spenderzylinderkonzept aus dem Stand der Technik ist in Fig. 1 gezeigt. Das System nimmt nur einen Teil der Zylinder des Motors als Spender zur Abgasrückführung. Eine Abgasklappe (Spenderzylinderklappe) staut den Abgasstrom nach den Spenderzylindern auf und sorgt damit für das notwendige Druckgefälle zwischen Abgas- und Ladeluftseite. Dadurch kann die Aufladung auf sehr gute Wirkungsgrade optimiert werden, von den Ladungswechselverlusten sind nur die Spenderzylinder betroffen. Im Vergleich zu einer konventionellen Hochdruck-Abgasrückfuhrung sorgt das an sich bekannte Spenderzylinder-Konzept für weniger Verbrauch, denn es verringert die motorischen Ladungswechselverluste und erlaubt höhere Turboladerwirkungsgrade. Dafür ist eine zusätzliche Spenderzylinder-Abgasklappe im Vergleich zur Hochdruck-Abgasrückführung erforderlich. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden unterschiedliche Abgasrückführungsraten (AGR-Raten) eingestellt oder auch die Abgasrückführung vollständig abgeschaltet. A prior art dispenser cylinder system is shown in FIG. The system only takes part of the cylinders of the engine as exhaust gas recirculation dispensers. An exhaust flap (dispenser cylinder flap) accumulates the exhaust gas flow to the donor cylinders and thus ensures the necessary pressure gradient between the exhaust and charge air side. As a result, the charge can be optimized to very good efficiencies, of the charge cycle losses are affected only the donor cylinder. Compared to a conventional high-pressure exhaust gas recirculation, the known donor cylinder concept ensures less consumption, because it reduces the motor charge cycle losses and allows higher turbocharger efficiencies. This requires an additional dispenser cylinder exhaust damper compared to high pressure exhaust gas recirculation. Depending on the operating state of the internal combustion engine, different exhaust gas recirculation rates (EGR rates) are set or exhaust gas recirculation is also completely switched off.
Bei Hochdruckabgasrückführung oder Abgasrückführung nach dem Spenderzylinderkonzept wird nun gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die erste Abgasklappe aus dem Bereich des ungekühlten Abgases mit Temperaturen von bis zu 700°C (wie im Stand der Technik bekannt) erfindungsgemäß in den Bereich des gekühlten Abgases verlegt, wo die maximale Abgastemperatur nur noch 140°C beträgt. Die thermischen Anforderungen an die erste Abgasklappe werden damit signifikant verringert. Dies trägt zu einer längeren Lebensdauer der ersten Abgasklappe und somit geringeren Kosten bei. Durch die Zumischung des gekühlten Abgases der Spenderzylinder beim Spenderzylinderkonzept zum Abgas der restlichen Zylinder wird die Abgastemperatur reduziert. Durch die reduzierte Abgastemperatur wird die Turbine des Abgasturboladers thermisch insgesamt weniger beansprucht. Dies hat auch eine längere Lebensdauer der Turbine zur Folge Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zur Ableitung des Abgases der zweiten Zylindergruppe zur Turbine nur die erste Abgasleitung zur Verfügung steht. Mit dieser Weiterbildung wird sichergestellt, dass jeweils die vollständige Abgasmenge über den Abgaskühler geführt wird und so die Temperaturschwankungen im Abgaskühler minimiert werden. In dieser Weiterbildung ist mit der zweiten Abgasklappe in der ersten Abgasleitung nur noch eine Abgasklappe für das nicht-rückgeführtes Abgas und zwar im Bereich des gekühlten Abgases vorhanden, so dass beim Spenderzylinderkonzept auch diese thermisch deutlich weniger belastet wird, als die übliche Spenderzylinder- Abgasklappe im Bereich des heißen Abgases. In the case of high-pressure exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation according to the dispenser cylinder concept, according to an embodiment of the invention, the first exhaust gas flap from the region of the uncooled exhaust gas with temperatures of up to 700 ° C. (as known in the prior art) is laid according to the invention in the region of the cooled exhaust gas, where the maximum exhaust gas temperature is only 140 ° C. The thermal requirements for the first exhaust flap are thus significantly reduced. This contributes to a longer life of the first exhaust flap and thus lower costs. By adding the cooled exhaust gas of the donor cylinder donor cylinder concept to the exhaust gas of the remaining cylinders, the exhaust gas temperature is reduced. Due to the reduced exhaust gas temperature, the turbine of the exhaust gas turbocharger is thermally less stressed overall. This also results in a longer service life of the turbine. In particular, it is advantageous if only the first exhaust gas line is available for discharging the exhaust gas of the second cylinder group to the turbine. With this development it is ensured that in each case the complete amount of exhaust gas is passed through the exhaust gas cooler and so the temperature fluctuations in the exhaust gas cooler are minimized. In this development, with the second exhaust flap in the first exhaust pipe only one exhaust flap for the non-recirculated exhaust gas and that in the range of cooled exhaust gas is present, so that the donor cylinder concept also this is significantly less thermally loaded, as the usual donor cylinder exhaust flap in Area of hot exhaust gas.
In einer weiteren Weiterbildung des Abgasführungssystems ist zusätzlich zur ersten Abgasleitung eine zweite Abgasleitung mit einer dritten Abgasklappe angeordnet, die über die Sammelleitung mit der zweiten Zylindergruppe verbunden ist und diese direkt mit der Turbine verbindet. In dieser Weiterbildung kann zusätzlich die dritte Abgasklappe zur Einstellung des benötigten Staudrucks für das Druckgefälle zwischen Abgasseite und Ladeluftseite der Brennkraftmaschine genutzt werden. Darüber hinaus wird über die zweite und die dritte Abgasklappe die Menge an zu kühlendem nicht-rückgeführten Abgas eingestellt, die über den Abgaskühler geführt wird. Diese Abgasmenge wird entsprechend nicht über die zweite Abgasleitung zur Turbine geführt, sondern über die erste Abgasleitung. In dieser Weiterbildung wird bei deaktivierter Abgasrückführung nur so viel Abgas durch den Abgaskühler geleitet, wie notwendig ist, um den Abgaskühler auf einer bestimmten Abgastemperatur zu halten. Die Enthalpie zum Antrieb der Turbine ist damit größer und die abzuführende Wärmemenge geringer. In a further development of the exhaust gas guidance system, a second exhaust gas line with a third exhaust gas valve is arranged in addition to the first exhaust gas line, which is connected via the manifold to the second cylinder group and connects them directly to the turbine. In this development, the third exhaust flap for adjusting the required back pressure for the pressure gradient between the exhaust gas side and the charge air side of the internal combustion engine can be used in addition. In addition, about the second and the third Exhaust damper sets the amount of non-recirculated exhaust gas to be cooled, which is passed over the exhaust gas cooler. This amount of exhaust gas is correspondingly not conducted via the second exhaust pipe to the turbine, but via the first exhaust pipe. In this development, when exhaust gas recirculation is deactivated, only as much exhaust gas is passed through the exhaust gas cooler as is necessary in order to keep the exhaust gas cooler at a specific exhaust gas temperature. The enthalpy for driving the turbine is thus larger and the amount of heat to be dissipated is lower.
Vorteilhaft weist der Abgaskühler einen Kühlmittelkreislauf mit einem Bypass um den Abgaskühler auf, in dem eine Bypassklappe angeordnet ist. Über diesen Bypass und eine entsprechende Öffnung der Bypassklappe kann die Menge an Kühlmittel im Abgaskühler reguliert werden, so dass im Falle dass weniger oder auch kälteres Abgas im momentanen Betriebszustand über den Abgaskühler geführt wird. Die Kühlung kann reduziert werden und die Temperatur des Abgaskühler ist trotz reduzierter Abgasmenge oder -temperatur in bestimmten Betriebszuständen geringeren Schwankungen unterworfen. Advantageously, the exhaust gas cooler has a coolant circuit with a bypass around the exhaust gas cooler, in which a bypass flap is arranged. About this bypass and a corresponding opening of the bypass valve, the amount of coolant in the exhaust gas cooler can be regulated so that in the event that less or colder exhaust gas is passed in the current operating state via the exhaust gas cooler. The cooling can be reduced and the temperature of the exhaust gas cooler is subject to reduced fluctuations despite reduced exhaust gas quantity or temperature in certain operating states.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasführungssystem wie vorstehend beschrieben, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, auf einen erfassten momentanen Betriebszustand hin, eine benötigte Abgasrückführungsrate und eine Menge an zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Temperaturbereichs im Abgaskühler benötigtem zu kühlendem nicht-rückgeführten Abgases zu bestimmen und eine der benötigten Abgasrückfuhrungsrate und der benötigten Menge entsprechende abgestimmte Öffnung der ersten Abgasklappe und der zweiten und/oder der dritten Abgasklappe zu veranlassen. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass über die entsprechende Einstellung der zweiten und/oder soweit vorhanden dritten Abgasklappe unabhängig von der Abgasrückführungsrate immer eine vorbestimmte Menge an nicht-rückgeführten Abgas über den Abgaskühler geführt wird und ein gewünschter Temperaturbereich im Abgaskühler aufrecht erhalten wird. According to a second aspect, the invention relates to a control unit for an internal combustion engine with an exhaust gas routing system as described above, wherein the control unit is designed, to a detected current operating state out, a required exhaust gas recirculation rate and a quantity of cooling gas needed to maintain a predetermined temperature range in the exhaust gas cooler not to determine recirculated exhaust gas and to cause one of the required Abgasrückfuhrungsrate and the required amount corresponding matched opening of the first exhaust valve and the second and / or the third exhaust valve. This is advantageously achieved that regardless of the exhaust gas recirculation rate always a predetermined amount of non-recirculated exhaust gas is passed through the exhaust gas cooler via the appropriate setting of the second and / or existing third exhaust valve and a desired temperature range is maintained in the exhaust gas cooler.
Bevorzugt ist das Steuergerät zusätzlich ausgebildet, entsprechend der benötigten Abgasrückführungsrate und der benötigten Menge an zu kühlendem nicht-rückgeführten Abgas die Einstellung einer vorbestimmten Kühlmittelrate im Abgaskühler über eine entsprechende Öffnung des Bypassventiles zu veranlassen. In dieser Weiterbildung wird die Temperatur des Abgaskühlers sowohl über die Abgasmenge als auch über die Kühlmittelmenge beeinflusst. So ist eine Regulierung der Abgaskühlertemperatur dahin gehend möglich, dass bei geringeren Abgasmengen oder geringer Abgastemperatur weniger Kühlmittel zur Kühlung des Abgases eingesetzt wird und so die Temperatur des Abgaskühlers auf einem höheren Niveau gehalten werden kann als bei herkömmlichen Abgasführungssystem und damit die Lebensdauer des Abgaskühlers weiter verlängert werden kann. Preferably, the control unit is additionally designed to initiate the setting of a predetermined coolant rate in the exhaust gas cooler via a corresponding opening of the bypass valve according to the required exhaust gas recirculation rate and the required amount of non-recirculated exhaust gas to be cooled. In this development, the temperature of the exhaust gas cooler is influenced both by the amount of exhaust gas and by the amount of coolant. Thus, a regulation of the exhaust gas cooler temperature is possible that at lower Exhaust gas amounts or low exhaust gas temperature less coolant is used to cool the exhaust gas and so the temperature of the exhaust gas cooler can be maintained at a higher level than in conventional exhaust system and thus the life of the exhaust gas cooler can be further extended.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem vorstehend beschriebenen Abgasführungssystem gemäß dem ersten Aspekt. Die Brennkraftmaschine teilt die Vorteile des Abgasführungssystems gemäß dem ersten Aspekt. Insbesondere ist eine Brennkraftmaschine vorteilhaft, die zusätzlich ein Steuergerät nach dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist. According to a third aspect, the invention relates to an internal combustion engine with a previously described exhaust system according to the first aspect. The internal combustion engine shares the advantages of the exhaust system according to the first aspect. In particular, an internal combustion engine is advantageous, which additionally has a control device according to the second aspect of the invention.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. Embodiments of the invention will now be described below with reference to the drawing. This is not necessarily to scale the embodiments, but the drawing, where appropriate for explanation, executed in a schematized and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. It should be noted that various modifications and changes may be made in the form and detail of an embodiment without departing from the general idea of the invention. The disclosed in the description, in the drawing and in the claims features of the invention may be essential both individually and in any combination for the development of the invention. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawings and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention is not limited to the exact form or detail of the preferred embodiments shown and described below or limited to an article that would be limited in comparison with the subject matter claimed in the claims. For the given design ranges, values within the stated limits should also be disclosed as limit values and be arbitrarily usable and claimable. For simplicity, the same reference numerals are used below for identical or similar parts or parts with identical or similar function.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach dem Spenderzylinder-Konzept gemäß dem Stand der Technik; Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments and from the drawing; this shows in: Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation according to the donor cylinder concept according to the prior art;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasführung gemäß der Erfindung; 2 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an exhaust system according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasfuhrung gemäß der Erfindung; In Fig.l ist eine Brennkraftmaschine 100 mit Abgasrückführung nach dem Spenderzylinderkonzept gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst einen Motor 101 mit zwei Zylindergruppen 120, 130 sowie ein Steuergerät ECU - hier nur symbolisch - dargestellt. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst weiter einen Hochdruckturbolader 121 mit einer Turbine und einem Verdichter sowie zwei Niederdruckturbolader 122, 123, wobei ladeluftseitig stromaufwärts der Verdichter der Niederdruckturbolader jeweils ein Luftfilter LF und stromabwärts jeweils ein Zwischenkühler ZwK angeordnet ist. Die Ladeluft wird anschließend über einen Hochdruck-Turbolader 121 geführt und eine Drosselklappe 4 einem Ladeluftkühler 140 und anschließend den Zylindern Al- A6, Bl - B6 der beiden Zylindergruppen 120, 130 zugeführt. Abgasseitig werden die Abgase der Zylinder der jeweiligen Zylindergruppe 120, 130 gesammelt. Die Abgase der ersten Zylindergruppe 130 werden dann der Turbine des Hochdruck-Turboladers 121 zugeführt. Ein Teil der Abgase der ersten Zylindergruppe 130 wird dabei über einen Bypass des Hochdruck- Turboladers HD-Stufe von der ersten Zylindergruppe 130 direkt zu den Turbinen der Niederdruck-Turbolader ND-Stufe geleitet. Im Bypass ist eine Abgas-Bypassklappe 3 angeordnet. 3 shows a schematic illustration of an alternative embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas duct according to the invention; In Fig.l an internal combustion engine 100 with exhaust gas recirculation according to the dispenser cylinder concept according to the prior art is shown. The internal combustion engine 100 includes an engine 101 with two cylinder groups 120, 130 and a control unit ECU - shown here only symbolically. The internal combustion engine 100 further comprises a high-pressure turbocharger 121 with a turbine and a compressor and two low-pressure turbochargers 122, 123, wherein a respective air filter LF upstream and downstream of the compressor of the low-pressure turbocharger each intercooler ZwK is arranged upstream of the compressor air side. The charge air is then passed through a high-pressure turbocharger 121 and fed to a throttle valve 4 a charge air cooler 140 and then the cylinders Al -A6, Bl - B6 of the two cylinder groups 120, 130. On the exhaust side, the exhaust gases of the cylinders of the respective cylinder group 120, 130 are collected. The exhaust gases of the first cylinder group 130 are then supplied to the turbine of the high-pressure turbocharger 121. A portion of the exhaust gases of the first cylinder group 130 is thereby passed via a bypass of the high-pressure turbocharger HD stage of the first cylinder group 130 directly to the turbines of the low-pressure turbocharger LP stage. In the bypass, an exhaust bypass door 3 is arranged.
Die Zylinder A1-A6 dienen als Spenderzylinder. Ihr Abgas wird teilweise über eine Abgasrückführungseinrichtung, in der ein Abgaskühler AGR-WT angeordnet ist, der hier als Wärmetauscher ausgeführt ist, mit Ladeluft aus dem Ladeluftkühler vermischt und ladeluftseitig den Zylindern der ersten und zweiten Zylindergruppe wieder zugeführt. Die Abgasrückführungsrate wird über die Abgasklappen 1 und 2 eingestellt. Die Abgasklappen 1 und 2 dienen außerdem dem Rückstau des Abgases, um einen für das Funktionieren des Systems notwendigen Staudruck für das benötigte Druckgefalle zwischen Ladeluft- und Abgasseite zu erzeugen. Die zur Einhaltung der Emissionen notwendige zurückzuführende Abgasmenge wird im hier gezeigten System mit Spenderzylinderabgasrückföhrung über die Abgasklappen 1 und 2 eingestellt und nur diese Abgasmenge wird durch den Abgaskühler geleitet, das restliche Abgas der Spenderzylinder strömt über Abgasklappe 1 am Abgaskühler vorbei zur Turbine. Wie bereits im Hinblick auf die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 beschrieben, ist auch die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine nach dem Spenderzylinderkonzept zur Abgasrückführung aufgebaut. Daher werden im Folgenden insbesondere die Unterschiede zwischen der Brennkraftmaschine mit Abgasführungssystem gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 1 und derjenigen mit Abgasführungssystem nach Fig. 2 beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen gleiche Bauteile und Ausgestaltungen bezeichnen. The cylinders A1-A6 serve as donor cylinders. Their exhaust gas is partly via an exhaust gas recirculation device, in which an exhaust gas cooler AGR-WT is arranged, which is designed here as a heat exchanger, mixed with charge air from the intercooler and the charge air side the cylinders of the first and second cylinder group fed again. The exhaust gas recirculation rate is set via the exhaust flaps 1 and 2. The exhaust valves 1 and 2 also serve the backflow of the exhaust gas to produce a necessary for the functioning of the system back pressure for the required pressure difference between the charge air and exhaust side. The amount of exhaust gas required to comply with the emissions becomes set in the system shown here with donor cylinder exhaust gas recirculation through the exhaust valves 1 and 2 and only this amount of exhaust gas is passed through the exhaust gas cooler, the rest of the exhaust gas from the donor cylinder flows through the exhaust valve 1 on the exhaust gas cooler over to the turbine. As already described with regard to the internal combustion engine according to FIG. 1, the internal combustion engine shown in FIG. 2 is also constructed according to the dispenser cylinder concept for exhaust gas recirculation. Therefore, the differences between the internal combustion engine with exhaust gas routing system according to the prior art of FIG. 1 and that with exhaust gas routing system according to FIG. 2 will be described below, wherein like reference numerals generally designate like components and configurations.
Die Brennkraftmaschine 200 weist ebenso wie die Brennkraftmaschine 100 einen Motor 101 mit zwei Zylinderbänke 120, 130 sowie ein Steuergerät ECU auf. Die Brennkraftmaschine 200 umfasst weiter einen Hochdruckturbolader 121 mit einer Turbine und einem Verdichter sowie zwei Niederdruckturbolader 122, 123, wobei ladeluftseitig stromaufwärts der Verdichter der Niederdruckturbolader jeweils ein Luftfilter LF und stromabwärts jeweils ein Zwischenkühler ZwK angeordnet ist. Die Ladeluft wird auch hier anschließend über einen Hochdruck-Turbolader 121 geführt und eine Drosselklappe 4 einem Ladeluftkühler 140 und anschließend den Zylindern AI- A6, Bl - B6 der beiden Zylindergruppen 120, 130 zugeführt. Abgasseitig werden die Abgase der Zylinder der jeweiligen Zylindergruppe 120, 130 gesammelt. Die Abgase der ersten Zylindergruppe 130 werden dann der Turbine des Hochdruck-Turboladers 121 zugeführt. Ein Teil der Abgase der ersten Zylindergruppe 130 wird dabei über einen Bypass des Hochdruck- Turboladers HD-Stufe von der ersten Zylindergruppe 130 direkt zu den Turbinen der Niederdruck-Turbolader ND-Stufe geleitet. Im Bypass ist eine Abgas-Bypassklappe 3 angeordnet. The internal combustion engine 200, like the internal combustion engine 100, has an engine 101 with two cylinder banks 120, 130 as well as a control unit ECU. The internal combustion engine 200 further comprises a high-pressure turbocharger 121 with a turbine and a compressor and two low-pressure turbochargers 122, 123, wherein an air filter LF upstream of the compressor of the low-pressure turbocharger and an intercooler ZwK downstream is arranged upstream of the compressor of the low-pressure turbocharger. Here, too, the charge air is subsequently conducted via a high-pressure turbocharger 121 and a throttle valve 4 is supplied to a charge air cooler 140 and then to the cylinders AI-A6, B-B6 of the two cylinder groups 120, 130. On the exhaust side, the exhaust gases of the cylinders of the respective cylinder group 120, 130 are collected. The exhaust gases of the first cylinder group 130 are then supplied to the turbine of the high-pressure turbocharger 121. A portion of the exhaust gases of the first cylinder group 130 is thereby passed via a bypass of the high-pressure turbocharger HD stage of the first cylinder group 130 directly to the turbines of the low-pressure turbocharger LP stage. In the bypass, an exhaust bypass door 3 is arranged.
Die Zylinder A1-A6 dienen als Spenderzylinder. Ihr Abgas wird teilweise wird über eine Abgasführungssystem 210, in der ein Abgaskühler AGR-WT angeordnet ist, der hier als Wärmetauscher ausgeführt ist, mit Ladeluft aus dem Ladeluftkühler 140 vermischt und ladeluftseitig den Zylindern der ersten und zweiten Zylindergruppe wieder zugeführt. Die Abgasrückführungsrate wird über eine erste Abgasklappe 2' und eine zweite Abgasklappe eingestellt. Im Unterschied zum Abgasführungssystem 1 10 der Fig. 1 ist im Abgasführungssystem 210 die erste Abgasklappe 2' stromabwärts vom Abgaskühler AGR-WT angeordnet und eine erste Abgasleitung 21 1 für nicht-rückgeführtes Abgas mit der zweiten Abgasklappe 1 ' ist stromabwärts vom Abgaskühler zwischen dem Abgaskühler AGR-WT und der Turbine des Hochdruckturboladers 121 angeordnet. Somit wird in der gezeigten Ausführungsform das gesamte Abgas der Spenderzylinder der zweiten Zylindergruppe 120 über den Abgaskühler AGR-WT geleitet und so die Minimaltemperatur im Abgaskühler im Vergleich zum System der Fig. 1 erhöht. Die zweite Abgasklappe dient außerdem dem Rückstau des Abgases um einen für das Funktionieren des Systems notwendigen Staudruck für das benötigte Druckgefälle zwischen Ladeluft- und Abgasseite zu erzeugen. Die Klappen werden so gesteuert, dass nur eine Teilmenge des gekühlten Abgases über die erste Abgasklappe 2' der Frischluft zugemischt wird, das restliche gekühlte Abgas wird über die zweite Abgasklappe dem ungekühlten Abgas der anderen Zylinder der ersten Zylindergruppe 130 zugemischt und zur Turbine des Hochdruckturboladers 121 geleitet. The cylinders A1-A6 serve as donor cylinders. Some of their exhaust gas is mixed with charge air from the intercooler 140 via an exhaust gas routing system 210, in which an exhaust gas cooler AGR-WT is arranged here as a heat exchanger, and returned to the cylinders of the first and second cylinder groups on the charge air side. The exhaust gas recirculation rate is set via a first exhaust gas flap 2 'and a second exhaust gas flap. In contrast to the exhaust system 1 10 of FIG. 1, the first exhaust flap 2 'downstream of the exhaust gas cooler EGR-WT arranged in the exhaust system 210 and a first exhaust pipe 21 1 for non-recirculated exhaust gas with the second Exhaust flap 1 'is disposed downstream of the exhaust gas cooler between the exhaust gas cooler EGR-WT and the turbine of the high-pressure turbocharger 121. Thus, in the illustrated embodiment, all of the exhaust gas from the donor cylinders of the second cylinder group 120 is directed via the exhaust gas cooler EGR-WT, thus increasing the minimum temperature in the exhaust gas cooler compared to the system of FIG. The second exhaust flap also serves the backflow of the exhaust gas to generate a necessary for the functioning of the system dynamic pressure for the required pressure gradient between the charge air and exhaust side. The flaps are controlled so that only a subset of the cooled exhaust gas is mixed via the first exhaust flap 2 'of the fresh air, the remaining cooled exhaust gas is mixed via the second exhaust valve the uncooled exhaust gas of the other cylinder of the first cylinder group 130 and the turbine of the high-pressure turbocharger 121st directed.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 300 mit einer Spenderzylinderabgasrückführung. Die Abgasführungssystem 310 weist hier ebenso wie diejenige in Fig. 2 eine erste Abgasleitung 31 1 mit einer zweiten Abgasklappe auf, die stromabwärts der Abgaskühlers AGR-WT diesen mit der Turbine verbindet. Zusätzlich weist die Abgasführungssystem 310 eine zweite Abgasleitung 312 auf, die über eine Sammelleitung 313 abgasseitig mit der zweiten Zylindergruppe 120 verbunden ist. In der zweiten Abgasleitung 312 ist eine dritte Abgasklappe 5 angeordnet. Die Abgasmenge, die zur Einhaltung der Emissionen benötigt wird, wird einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, über die erste und dritte Abgasklappe 2', 5 eingestellt. Die zweite Abgasklappe kann in diesem Betriebszustand geschlossen sein. Die für die Rückführung nicht benötigte Abgasmenge strömt dann über die dritte Abgasklappe 5 zur Turbine. Wenn kein Abgas oder nur wenig Abgas zurückgeführt werden soll, wird die erste Abgasklappe 2' vollständig oder teilweise geschlossen und das Abgas strömt über die Abgasklappen 5 und 1 ' zur Turbine. Die zweite Abgasklappe 1 ' wird dabei so eingestellt, dass weiterhin zumindest eine geringe Abgasmenge durch den Abgaskühler fließt. Der Abgaskühler AGR-WT verfügt in dieser Ausführungsform über einen Kühlmittelkreislauf 320 mit einem Bypass 321 um den Abgaskühler AGR-WT. Im Bypass 321 ist eine Bypassklappe 6 angeordnet. Über den Bypass 321 und die Bypassklappe 6 kann in dieser Ausführungsform die Kühlmittelmenge im Abgaskühler AGR-WT reguliert werden. Strömt in einem Betriebszustand wenig Abgas oder Abgas mit einer relativ kalten Eintrittstemperatur in den Abgaskühler wird die Bypassklappe 6, hier als Bypassventil ausgeführt, so weit geöffnet, dass die Kühlmittelmenge durch den Abgaskühler reduziert wird. Durch eine geeignete Steuerung der zweiten Abgasklappe und der Bypassklappe 6 durch das Steuergerät ECU kann der Abgaskühler somit auf Abgastemperatur gehalten werden, eine Abkühlung auf Kühlmitteltemperatur wird damit vermieden. FIG. 3 shows a further embodiment of an internal combustion engine 300 with a donor cylinder exhaust gas recirculation. The exhaust gas routing system 310 here, like that in FIG. 2, has a first exhaust gas line 31 1 with a second exhaust gas valve, which connects the latter with the turbine downstream of the exhaust gas cooler AGR-WT. In addition, the exhaust gas routing system 310 has a second exhaust pipe 312, which is connected via a manifold 313 on the exhaust side with the second cylinder group 120. In the second exhaust pipe 312, a third exhaust valve 5 is arranged. The amount of exhaust gas needed to maintain the emissions is set to an operating condition of the internal combustion engine via the first and third exhaust gas flaps 2 ', 5. The second exhaust valve may be closed in this operating state. The amount of exhaust gas not required for the return then flows via the third exhaust flap 5 to the turbine. If no exhaust gas or only a small amount of exhaust gas is to be recirculated, the first exhaust gas flap 2 'is completely or partially closed and the exhaust gas flows via the exhaust gas flaps 5 and 1' to the turbine. The second exhaust valve 1 'is adjusted so that further at least a small amount of exhaust gas flows through the exhaust gas cooler. In this embodiment, the exhaust gas cooler AGR-WT has a coolant circuit 320 with a bypass 321 around the exhaust gas cooler EGR-WT. In the bypass 321, a bypass flap 6 is arranged. By way of the bypass 321 and the bypass flap 6, the coolant quantity in the exhaust gas cooler AGR-WT can be regulated in this embodiment. If, in an operating state, little exhaust gas or exhaust gas flows with a relatively cold inlet temperature into the exhaust gas cooler, the bypass flap 6, here designed as a bypass valve, opens so far that the coolant quantity through the exhaust gas cooler is reduced. By suitable control of the second exhaust flap and the bypass flap 6 by the control unit ECU, the exhaust gas cooler can thus Exhaust gas temperature are maintained, a cooling to coolant temperature is thus avoided.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
1,1 ' erste Abgasklappe1,1 'first exhaust flap
2, 2' zweite Abgasklappe2, 2 'second exhaust flap
3 Abgas-Bypassklappe3 exhaust bypass flap
4 Drosselklappe4 throttle
5 dritte Abgasklappe5 third exhaust flap
6 Bypassklappe 6 Bypass flap
100, 200, 300 Brennkraftmaschine 101 Motor  100, 200, 300 internal combustion engine 101 engine
1 10, 210, 310 Abgasführungssystem 1 10, 210, 310 exhaust system
120 erste Zylindergruppe120 first cylinder group
130 zweite Zylindergruppe130 second cylinder group
140 Ladeluftkühler140 intercooler
121 Hochdruckturbol ader121 high-pressure turbo vein
122, 123 Niederdruckturbolader122, 123 low-pressure turbocharger
211, 311 erste Abgasleitung211, 311 first exhaust pipe
312 zweite Abgasleitung312 second exhaust pipe
313 Sammelleitung313 Manifold
320 Kühlmittelkreislauf320 coolant circuit
321 Bypass 321 bypass
A1-A6 Zylinder A1-A6 cylinder
AGR-WT Abgaskühler  EGR-WT exhaust gas cooler
B1-B6 Zylinder  B1-B6 cylinder
ECU Steuergerät  ECU control unit
LF Luftfilter  LF air filter
ZwK Zwischenkühler  ZwK intercooler

Claims

ANSPRÜCHE
1. Abgasführungssystem (210) für eine Brennkraftmaschine (200) mit einer Abgasrückführung, wobei die Brennkraftmaschine (200) eine erste Zylindergruppe (120) aufweisend mindestens einen Zylinder (A1-A6) und eine zweite Zylindergruppe (130) aufweisend mindestens einen Zylinder (B1-B6) aufweist und mindestens die zweite Zylindergruppe (130) abgasseitig über eine Sammelleitung (313) mit einer Abgasrückführungseinrichtung verbunden ist, wobei die Abgasrückführungseinrichtung einen Abgaskühler (AGR-WT) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass An exhaust system (210) for an internal combustion engine (200) with an exhaust gas recirculation, the internal combustion engine (200) having a first cylinder group (120) comprising at least one cylinder (A1-A6) and a second cylinder group (130) comprising at least one cylinder (B1 -B6) and at least the second cylinder group (130) on the exhaust side via a manifold (313) is connected to an exhaust gas recirculation device, wherein the exhaust gas recirculation device comprises an exhaust gas cooler (AGR-WT), characterized in that
in der Abgasrückführungseinrichtung eine erste Abgasklappe ( ) zur Regelung der Abgasrückführungsrate stromabwärts vom Abgaskühler (AGR-WT) angeordnet ist und dass eine erste Abgasleitung (211) für nicht-rückgeführtes Abgas mit einer zweiten Abgasklappe (2') stromabwärts vom Abgaskühler (AGR-WT) angeordnet ist. in the exhaust gas recirculation device, a first exhaust gas valve (16) for controlling the exhaust gas recirculation rate downstream of the exhaust gas cooler (EGR-WT) is arranged and that a first exhaust pipe (211) for non-recirculated exhaust gas with a second exhaust flap (2 ') downstream of the exhaust gas cooler (EGR-WT ) is arranged.
2. Abgasführungssystem (210) für eine Brennkraftmaschine (200) nach Anspruch 1, wobei die erste Abgasleitung (21 1) für nicht-rückgeführtes Abgas mit der zweiten Abgasklappe (2') stromabwärts vom Abgaskühler (AGR-WT) zwischen dem Abgaskühler (AGR-WT) und einer Turbine angeordnet ist. An exhaust gas routing system (210) for an internal combustion engine (200) according to claim 1, wherein the first exhaust gas non-return exhaust passage (21 1) communicates with the second exhaust gas passage (2 ') downstream of the exhaust gas cooler (EGR-WT) between the exhaust gas cooler (EGR -WT) and a turbine is arranged.
3. Abgasführungssystem (210) für eine Brennkraftmaschine (200) nach Anspruch 1, wobei die Abgasrückführung eine Spenderzylinderabgasrückführung ist und nur die zweite Zylindergruppe (130) abgasseitig über die Sammelleitung (313) mit der Abgasrückführungseinrichtung verbunden ist. The exhaust gas routing system (210) for an internal combustion engine (200) according to claim 1, wherein the exhaust gas recirculation is a donor cylinder exhaust gas recirculation and only the second cylinder group (130) is connected to the exhaust gas recirculation means via the manifold (313).
4. Abgasführungssystem (210) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem zusätzlich zur ersten Abgasleitung (211) eine zweite Abgasleitung (312) mit einer dritten Abgasklappe (5) angeordnet ist, die über die Sammelleitung (313) mit der zweiten Zylindergruppe (130) verbunden ist und diese direkt mit der Turbine verbindet. 4. exhaust system (210) according to claim 2 or 3, wherein in addition to the first exhaust pipe (211) a second exhaust pipe (312) with a third exhaust valve (5) is arranged, which via the manifold (313) with the second cylinder group (130 ) and connects them directly to the turbine.
5. Abgasführungssystem (210) nach einerm der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abgaskühler (AGR-WT) einen Kühlmittelkreislauf (320) mit einem Bypass (321) um den Abgaskühler (AGR-WT) aufweist, in dem eine Bypassklappe (6) angeordnet ist. 5. exhaust system (210) according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas cooler (EGR-WT) has a coolant circuit (320) with a bypass (321) to the exhaust gas cooler (EGR-WT), in which a bypass flap (6) is arranged ,
6. Steuergerät (ECU) für eine Brennkraftmaschine (200) mit einem Abgasführungssystem (210) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, auf einen erfassten momentanen Betriebszustand hin, eine benötigte Abgasrückführungsrate und eine Menge an zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Temperaturbereichs im Abgaskühler (AGR-WT) benötigtem zu kühlendem nicht-rückgeführten Abgases zu bestimmen, und eine der benötigten Abgasrückführungsrate und der benötigten Menge entsprechende abgestimmte Öffnung der ersten Abgasklappe ( ) und der zweiten (2') und/oder der dritten Abgasklappe (5) zu veranlassen. 6. An ECU for an internal combustion engine having an exhaust gas routing system according to claim 1, which is designed to be responsive to a detected current operating state, a required exhaust gas recirculation rate and an amount to maintain a predetermined temperature range in the exhaust gas cooler. EGR-WT) required to be cooled to determine non-recirculated exhaust gas, and one of the required exhaust gas recirculation rate and the required amount appropriate coordinated opening of the first exhaust flap () and the second (2 ') and / or the third exhaust flap (5) to cause.
7. Steuergerät (ECU) nach Anspruch 6, das zusätzlich ausgebildet ist, entsprechend der benötigten Abgasrückführungsrate und der benötigten Menge an zu kühlendem nicht- rückgeführten Abgas die Einstellung einer vorbestimmten Kühlmittelrate im Abgaskühler (AGR- WT) über eine entsprechende Öffnung des Bypassventiles zu veranlassen. 7. Control unit (ECU) according to claim 6, which is additionally designed to cause the setting of a predetermined coolant rate in the exhaust gas cooler (AGR -WT) via a corresponding opening of the bypass valve according to the required exhaust gas recirculation rate and the required amount of non-recirculated exhaust gas to be cooled ,
8. Brennkraftmaschine (200) mit einem Abgasführungssystem ( 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 5. 8. Internal combustion engine (200) with an exhaust gas routing system (210) according to one of claims 1 to 5.
9. Brennkraftmaschine (200) nach Anspruch 8 zusätzlich umfassend ein Steuergerät (ECU) nach einem der Ansprüche 6 oder 7. 9. Internal combustion engine (200) according to claim 8 additionally comprising a control unit (ECU) according to one of claims 6 or 7.
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