WO2018215222A1 - Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2018215222A1
WO2018215222A1 PCT/EP2018/062307 EP2018062307W WO2018215222A1 WO 2018215222 A1 WO2018215222 A1 WO 2018215222A1 EP 2018062307 W EP2018062307 W EP 2018062307W WO 2018215222 A1 WO2018215222 A1 WO 2018215222A1
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gas recirculation
recirculation device
duct
strands
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PCT/EP2018/062307
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Holger Paffrath
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Pierburg Gmbh
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    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine comprising an exhaust passage, via which exhaust gas can be derived from the internal combustion engine, an inlet channel, via which combustion air for
  • Internal combustion engine is leitbarer, and a heat exchanger, which is fluidically connectable at one end to the exhaust passage, and which is fluidically connectable at an opposite end with an exhaust gas recirculation passage, which opens into the inlet passage.
  • the heat exchanger has two structurally separate strands, which open into a collector which is fluidically connected to the exhaust gas recirculation channel.
  • an exhaust gas recirculation valve is arranged, via which a flow cross section of the exhaust gas recirculation passage can be regulated.
  • thermal energy can be used, for example, to heat the internal combustion engine faster, to heat the cab more quickly or to reduce friction losses by heating the lubricant system.
  • the thermal energy is thereby reclaimed via an exhaust gas recirculation device, which has a heat exchanger, via which a cooling of the recirculated exhaust gas takes place, so that the pollutant emissions are reduced after the cold start phase.
  • WO 2014/136024 A1 discloses an exhaust gas recirculation device with a U-shaped heat exchanger, which is connected to an exhaust gas channel and in an apex region of the heat exchanger via an exhaust gas recirculation valve with an inlet channel, via the combustion air to the internal combustion engine is conductive.
  • a rectangular flap valve is arranged, which between a first position in which the exhaust passage is fully opened and a mouth of the heat exchanger is completely closed and a second position, wherein the exhaust passage in the region of the heat exchanger completely closed and upstream in the flow direction strand the U-shaped heat exchanger is fully open, so that the exhaust gas flow is passed into this strand of the heat exchanger, is adjustable.
  • the exhaust gas recirculation device according to the prior art has the disadvantage that a sufficiently high flow gradient in the exhaust gas recirculation channel must be present, so that the heat exchanger is flowed through with a sufficient amount of exhaust gas.
  • the exhaust gas recirculation device according to the prior art is not suitable for low-pressure operation, since the resistance in the exhaust gas recirculation channel is always higher than in the exhaust gas channel. Accordingly, sufficient controllability of the recirculated exhaust gas flow is not achieved, in particular in phases with high exhaust gas recirculation rates.
  • the emission levels prescribed by law can not be achieved in accordance with such an exhaust gas control device, in particular in the low pressure range.
  • the object of the present invention is therefore to provide an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, which is also suitable for the low-pressure operation, which has a high efficiency with respect to the recovered thermal energy, even with a high proportion of recirculated exhaust gas, and wherein the proportion of recovered from the exhaust gas thermal energy is controllable.
  • the exhaust gas recirculation device has two structurally separate strands, which open into a collector.
  • the two strands are thus configured in such a way that a mutual influence of the currents in the strands is avoided.
  • At one end of both strands these are connected to each other via the collector, so that either the exhaust gas from both strands is passed via the collector in the exhaust gas recirculation passage, or the exhaust gas from the upstream in the exhaust gas direction first strand via the collector depending on the flap position of the exhaust gas recirculation valve is directed to the second strand.
  • the exhaust gas recirculation device has a flap valve, which is arranged in the exhaust passage such that the flap valve releases the exhaust passage in a first position, closes the exhaust passage in the flow direction downstream of the two strands in a second position, so that the exhaust gas flow both strands in the direction of the exhaust gas recirculation passage flows through, and in a third position, the flap valve closes the exhaust passage in the region between the two strands, so that the exhaust gas flow through the upstream upstream in the exhaust gas direction can be conducted, and the second strand can be flowed through in the opposite direction in dependence of the position of the exhaust gas recirculation valve.
  • the flap valve In the first position, the flap valve thus has a minimal flow resistance in the exhaust passage, so that the flow in the exhaust passage through the flapper valve is hardly disturbed. In the second position, however, is a complete flow through the Exhaust ducts from the flap to the downstream of the two strands prevented.
  • the exhaust gas is thereby redirected with open EGR valve in both strands of the heat exchanger, so that the total amount of exhaust gas is distributed over two strands and thus the maximum heat exchanger cross section is utilized. This increases the proportion of recovered thermal energy.
  • the third position a flow through the exhaust duct is prevented from the structural separation between the strands.
  • the exhaust gas is thereby passed through the strand upstream in the flow direction.
  • a portion of the exhaust gas is thereby recirculated to the internal combustion engine, wherein the recirculated exhaust gas is cooled only by a train, so that the cooling of the recirculated exhaust gas is reduced.
  • hotter exhaust gas can be recirculated in cold operating conditions in which there is the risk of condensation of the combustion air, in order to avoid condense formation.
  • the exhaust gas not recirculated in the third position is fed back into the exhaust gas duct in the downstream stream. In this case, the thermal energy is recovered from the exhaust gas in this strand.
  • the proportion of the thermal energy recovered from the exhaust gas can be regulated in order to better adapt the exhaust gas recirculation device to specific operating conditions.
  • the flap valve is infinitely adjustable between the three positions.
  • a continuous adjustment between the positions in the sense of the present invention is when the flapper valve between the first and the second positions, as well as between the second and the third position, can take any intermediate position.
  • an intermediate position between the first position and the second position is the Restricted flow in the exhaust passage, so that on this position and the position of the EGR valve, the recirculated exhaust gas quantity is regulated. Since both strands are flowed through between the first and second position, the recovered thermal energy amount increases with increasing amount of recirculated exhaust gas.
  • the flap valve is a butterfly valve.
  • the butterfly valve has the advantage that due to the balancing forces of the gas flow on the flap, in a static position of the valve, only low holding forces are necessary. Also, for the adjustment of the flap, only a small torque is necessary.
  • the axis of rotation of the flap valve is arranged in an extension of the structural separation of the strands. In the third position, the flap valve thus extends the structural separation up to a wall of the exhaust gas passage. As a result, a symmetrical construction of the flap valve is possible.
  • the axis of rotation of the flap valve is arranged centrally in the exhaust duct.
  • the axis of rotation cuts an axial central axis of the exhaust duct in this area.
  • the flap valve is thereby arranged symmetrically in the exhaust duct, so that the exhaust duct can be formed symmetrically in the region of the flap valve.
  • the axis of rotation of the flap valve is arranged on a side opposite the strands of the exhaust passage.
  • the axis of rotation is arranged such that it has the greatest radial distance from the strands. In the first position, the flow resistance of the flap valve is thereby reduced by the flap and the axis of rotation lying substantially outside the main flow.
  • the flap preferably a rectangular flap and the exhaust duct in the region of the flap valve rectangular shaped.
  • a flap end remote from the axis of rotation is arranged in the second and third position directly opposite an exhaust gas duct wall or the structural separation between the strands.
  • the flap end is arranged such that a distance between the flap end and exhaust duct wall or the physical separation is minimal, so that only a leakage flow between the flap end and exhaust duct wall or the structural separation is present. This allows the flow in one direction to be completely stopped and redirected in another direction.
  • the exhaust gas recirculation device is a low pressure exhaust gas recirculation device. Due to the possibility of parallel flow through both strands, the operation of the heat exchanger is given even at low back pressure as it exists in a low pressure exhaust gas recirculation device.
  • the exhaust passage is spherical in the region of the flap valve, wherein a diameter of the spherical shape is larger than an exhaust duct diameter.
  • a contact surface can be provided for the flap so that a flow in the exhaust duct can be prevented. This contact surface is provided by the larger diameter outside the main flow, so that the main flow in the exhaust duct is not disturbed by the contact surface.
  • the flap in particular in the second position, close the exhaust gas channel and redirect the exhaust gas flow into the strands, without a flap end projecting into the opening cross-section of the strand downstream in the flow direction.
  • such a formation simplifies the manufacture of the channel housing.
  • the structural separation between the strands of the heat exchanger is preferably a partition wall.
  • the partition wall forms a boundary wall of each strand of the heat exchanger.
  • an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine which has a high efficiency in terms of the recovered thermal energy even with a high proportion of recirculated exhaust gas.
  • Figure 1 Schematic representation of an inventive
  • FIG. 2 exhaust gas recirculation device according to FIG. 1 with the EGR valve open;
  • FIG. 5 exhaust gas recirculation device according to Figure 4 with the EGR valve open
  • Embodiment in a second position with open AG R valve.
  • Exhaust gas recirculation device 10 includes an exhaust passage 14 that discharges exhaust gas 18 from the internal combustion engine to the environment, and an intake passage 22 that conducts combustion air 26 to the internal combustion engine.
  • the exhaust gas recirculation device 10 additionally comprises a heat exchanger 30 which is fluidically connected at one end to the exhaust gas channel 14 and at an end opposite thereto to an exhaust gas recirculation channel 34 opening into the inlet channel 22.
  • the heat exchanger 30 has two strands 42, 44 which are separated by a partition wall as structural separation 38 and which are combined in front of the exhaust gas recirculation duct 34 in a collector 46, which is connected directly to the exhaust gas recirculation duct 34.
  • an exhaust gas recirculation (EGR) valve 50 is arranged, which is continuously variable between a position in which the exhaust gas recirculation passage 34 is closed and a position at which the exhaust gas recirculation passage 34 is fully opened.
  • the EGR valve 50 shown in Figure 1 is shown in a closed position.
  • the exhaust passage 14 designed as a butterfly valve flap valve 54 is arranged.
  • the exhaust duct 14 is spherical, wherein a diameter D K of the spherical shape is greater than an exhaust duct diameter D A and greater than a width B of both strands 42, 44 of the heat exchanger 30.
  • a rotation axis 58 of the butterfly valve 54 is centered in the exhaust duct 14th in an extension of the partition wall 38 of the two strands 42, 44 are arranged.
  • the butterfly valve 54 shown in Figure 1 is shown in a first position in which the exhaust passage 14 is fully opened. However, the butterfly valve 54 may also assume intermediate positions between the first and second positions shown in FIG. In the first position, the butterfly valve 54 extends substantially in a flow direction of the exhaust passage 14. In the illustrated position of the butterfly valve 54 and the EGR valve 50, no flow is generated in the heat exchanger 30.
  • the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 2 differs from the exhaust gas recirculation device 10 of Figure 1 in that in the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 2, the EGR valve 50 is open. As a result, part of the exhaust gas 18 is returned to the internal combustion engine. This recirculated exhaust gas causes a flow in the heat exchanger 30, so that the heat from the recirculated exhaust gas can be recovered. Since both strands 42, 44 are open to the exhaust passage 14 in the position shown in Figure 2, the heat exchanger 30 is flowed through both strands 42, 44 of the recirculated exhaust gas, so that the effective cross-section of the heat exchanger 30 is increased and thereby the proportion of recovered thermal energy is increased.
  • the exhaust gas recirculation device 10 is shown in a second position of the butterfly valve 54 when the EGR valve 50 is open.
  • the butterfly valve 54 can also intermediate positions between occupy the second and the third position shown in Figure 4.
  • flap ends of the butterfly valve 54 remote from the axis of rotation 58 are disposed directly opposite an exhaust duct wall 62.
  • the butterfly valve 54 closes the exhaust passage 14 in the flow direction downstream of the two strands 42, 44.
  • the entire exhaust gas flow of the exhaust passage 14 is thereby returned and flows through both strands 42, 44 of the heat exchanger 30 in the direction of the exhaust gas recirculation passage 34.
  • the exhaust gas recirculation device 10 is shown in a third position of the butterfly valve 54 with the EGR valve 50 closed.
  • flap ends of the butterfly valve 54 remote from the axis of rotation 58 are arranged directly opposite the dividing wall 38 or the exhaust duct wall 62, the butterfly valve 54 closing the exhaust duct 14 in the region between the two strands 42, 44, so that the exhaust gas flow through the upstream in the exhaust gas direction first strand 44 is passed.
  • the collector 46 which connects the two strands 42, 44 with each other, the exhaust gas 18 is directed in the opposite direction to the first strand 44 via the second strand 42 back into the exhaust passage 14.
  • the entire length of the heat exchanger 30 can be flowed through.
  • the exhaust gas recirculation device 10 in FIG. 5 differs from the exhaust gas recirculation device 10 according to FIG. 4 in that in the exhaust gas recirculation device 10 in FIG. 5 the EGR valve 50 is open. As a result, depending on the position of the EGR valve 50, part of the exhaust gas 18 is returned to the internal combustion engine. The recirculated to the internal combustion engine exhaust gas content is doing cooled only via the upstream in the exhaust gas direction of the exhaust duct 14 first strand 44, while the non-recirculated exhaust gas fraction is returned via the second strand 42 to the exhaust duct 14 cooled. As a result, hotter exhaust gas 18 is directed into the inlet channel, which reduces the risk of condensation in cold operating conditions.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the exhaust gas recirculation device 10, which is shown by way of example in a second position when the EGR valve 50 is open.
  • the axis of rotation 58 of the flapper valve 54 is disposed on a side 42 of the strands 42, 44 of the exhaust duct 14.
  • the positions of the butterfly valve 54 and the EGR valve 50 described with reference to FIGS. 1 to 5 are also possible for the second exemplary embodiment. This results in the same way for the second embodiment, the same features previously described for the first embodiment.
  • the described exhaust gas recirculation device according to the invention is thus suitable for the low pressure range and thus has a high efficiency with respect to the recovered thermal energy. In addition, a controllability of the recovered thermal energy is given.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasrückführvorrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend einen Abgaskanal (14), einen Einlasskanal (22), und einen Wärmetauscher (30), welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal (14) fluidisch verbindbar ist, und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbindbar ist, welcher in den Einlasskanal (22) mündet. Der Wärmetauscher (30) weist zwei baulich voneinander getrennte Stränge (42, 44) auf, welche in einen Sammler (46) münden, der mit dem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbunden ist. In dem Abgasrückführkanal (34) ist ein Abgasrückführventil (50) angeordnet. Die Abgasrückführvorrichtung (10) weist ferner ein Klappenventil (54) auf, welches derart im Abgaskanal (14) angeordnet ist, dass das Klappenventil (54) in einer ersten Stellung den Abgaskanal (14) freigibt, in einer zweiten Stellung den Abgaskanal (14) in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom beide Stränge (42, 44) in Richtung des Abgasrückführkanals (34) durchströmt, und in einer dritten Stellung das Klappenventil (54) den Abgaskanal (14) im Bereich zwischen beiden Strängen (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang (44) leitbar ist, und der zweite Strang (42) in Abhängigkeit der Stellung des Abgasrückführventils (50) in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.

Description

Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend einen Abgaskanal, über welchen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine ableitbar ist, einen Einlasskanal, über welchen Verbrennungsluft zur
Verbrennungskraftmaschine leitbar ist, und einen Wärmetauscher, welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal fluidisch verbindbar ist, und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem Abgasrückführkanal fluidisch verbindbar ist, welcher in den Einlasskanal mündet. Der Wärmetauscher weist zwei baulich voneinander getrennte Stränge auf, welche in einen Sammler münden, der mit dem Abgasrückführkanal fluidisch verbunden ist. In dem Abgasrückführkanal ist ein Abgasrückführventil angeordnet, über welches ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführkanals regelbar ist.
Ein wesentlicher Anteil des in einer Verbrennungskraftmaschine verbrannten Kraftstoffes wird in Form von Wärme über das Abgassystem ausgestoßen. Es ist daher vorteilhaft, diese Wärme oder thermische Energie von dem Abgassystem für verschiedene Zwecke zurückzugewinnen. Diese thermische Energie kann beispielsweise verwendet werden, um die Verbrennungskraftmaschine schneller aufzuheizen, um die Fahrerkabine schneller zu erwärmen oder um Reibungsverluste durch Erhitzen des Schmiermittelsystems zu reduzieren. Die thermische Energie wird dabei über eine Abgasrückführvorrichtung, welche einen Wärmetauscher aufweist, über den eine Kühlung des zurückgeführten Abgases erfolgt, so dass nach der Kaltstartphase die Schadstoffemissionen reduziert werden, zurückgewonnen. Die WO 2014/136024 AI offenbart eine Abgasrückführvorrichtung mit einem U-förmigen Wärmetauscher, welcher mit einem Abgaskanal und in einem Scheitelbereich des Wärmetauschers über ein Abgasrückführventil mit einem Einlasskanal, über den Verbrennungsluft zu der Verbrennungskraftmaschine leitbar ist, verbunden ist. In dem Abgaskanal ist ein rechteckiges Klappenventil angeordnet, welches zwischen einer ersten Stellung, bei welcher der Abgaskanal vollständig geöffnet und eine Mündung des Wärmetauscher vollständig verschlossen ist und einer zweiten Stellung, bei welcher der Abgaskanal im Bereich des Wärmetauschers vollständig verschlossen und ein in Strömungsrichtung vorgelagerter Strang des U-förmigen Wärmetauschers vollständig geöffnet ist, so dass der Abgasstrom in diesen Strang des Wärmetauscher geleitet wird, verstellbar ist.
Die Abgasrückführvorrichtung nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass ein ausreichend hohes Strömungsgefälle im Abgasrückführkanal anliegen muss, damit der Wärmetauscher mit einer ausreichenden Abgasmenge durchströmt wird. Dadurch ist die Abgasrückführvorrichtung nach dem Stand der Technik nicht für den Niederdruckbetrieb geeignet, da der Widerstand im Abgasrückführkanal immer höher ist als im Abgaskanal . Entsprechend wird keine ausreichende Regelbarkeit des zurückgeführten Abgasstromes erreicht, insbesondere in Phasen mit hohen Abgasrückführraten. Die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionswerte sind entsprechend mit einer derartigen Abgasregelvorrichtung insbesondere im Niederdruckbereich nicht erreichbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welche auch für den Niederdruckbetrieb geeignet ist, die auch bei einem hohen Anteil an rückgeführtem Abgas einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die rückgewonnene thermische Energie hat, und bei welcher der Anteil der aus dem Abgas rückgewonnenen thermischen Energie regelbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung weist zwei baulich voneinander getrennte Stränge auf, welche in einen Sammler münden. Die beiden Stränge sind somit derart konstruktiv ausgestaltet, dass eine gegenseitige Beeinflussung der Strömungen in den Strängen vermieden ist. An einem Ende beider Stränge sind diese über den Sammler miteinander verbunden, so dass in Abhängigkeit von der Klappenstellung des Abgasrückführventils entweder das Abgas aus beiden Strängen über den Sammler in den Abgasrückführkanal geleitet wird, oder das Abgas von dem in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang über den Sammler in den zweiten Strang geleitet wird.
Erfindungsgemäß weist die Abgasrückführvorrichtung ein Klappenventil auf, welches derart im Abgaskanal angeordnet ist, dass das Klappenventil in einer ersten Stellung den Abgaskanal freigibt, in einer zweiten Stellung den Abgaskanal in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge verschließt, so dass der Abgasstrom beide Stränge in Richtung des Abgasrückführkanals durchströmt, und in einer dritten Stellung das Klappenventil den Abgaskanal im Bereich zwischen beiden Strängen verschließt, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang leitbar ist, und der zweite Strang in Abhängigkeit der Stellung des Abgasrückführventils in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.
In der ersten Stellung hat das Klappenventil somit einen minimalen Strömungswiderstand im Abgaskanal, so dass die Strömung im Abgaskanal durch das Klappenventil kaum gestört wird. In der zweiten Stellung dahingegen wird eine vollständige Durchströmung des Abgaskanals von der Klappe an stromabwärts der beiden Stränge unterbunden. Das Abgas wird bei geöffnetem AGR-Ventil dadurch in beide Stränge des Wärmetauschers umgeleitet, so dass die gesamte Abgasmenge auf zwei Stränge verteilt wird und dadurch der maximale Wärmetauscherquerschnitt ausgenutzt wird. Dadurch wird der Anteil der zurückgewonnenen thermischen Energie erhöht.
In der dritten Stellung wird eine Durchströmung des Abgaskanals ab der baulichen Trennung zwischen den Strängen unterbunden. Das Abgas wird dadurch durch den in Strömungsrichtung vorgelagerten Strang geleitet. In Abhängigkeit der Klappenstellung des AGR-Ventils wird dadurch ein Teil des Abgases zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt, wobei das rückgeführte Abgas lediglich durch einen Strang gekühlt wird, so dass die Kühlung des rückgeführten Abgases reduziert ist. Dadurch kann bei kalten Betriebsbedingungen, bei welchen die Gefahr einer Kondensatbildung der Verbrennungsluft vorliegt, heißeres Abgas rückgeführt werden, um die Kondesatbildung zu vermeiden. Das in der dritten Stellung nicht rückgeführte Abgas wird in dem in Strömungsrichtung nachgelagerten Strang in den Abgaskanal zurückgeleitet. Dabei wird in diesem Strang die thermische Energie aus dem Abgas zurückgewonnen. Dadurch ist der Anteil der aus dem Abgas zurückgewonnenen thermischen Energie regelbar, um die Abgasrückführvorrichtung besser an bestimmte Betriebsbedingungen anzupassen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Klappenventil stufenlos zwischen den drei Stellungen verstellbar. Eine stufenlose Verstellbarkeit zwischen den Stellungen im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn das Klappenventil zwischen der ersten und der zweiten Stellungen, sowie zwischen der zweiten und der dritten Stellung, jede Zwischenstellung einnehmen kann. In einer Zwischenstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung wird die Strömung im Abgaskanal gedrosselt, so dass über diese Stellung und über die Stellung des AGR-Ventils die rückgeführte Abgasmenge regelbar ist. Da zwischen der ersten und zweiten Stellung jeweils beide Stränge durchströmt werden, steigt die rückgewonnene thermische Energiemenge mit steigender rückgeführten Abgasmenge.
Vorzugsweise ist das Klappenventil ein Schmetterlingsventil. Das Schmetterlingsventil hat den Vorteil, dass aufgrund der sich an der Klappe ausgleichenden Kräfte des Gasstromes, in einer statischen Position des Ventils, nur geringe Haltekräfte notwendig sind. Auch für die Verstellung der Klappe ist lediglich ein geringes Drehmoment notwendig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Drehachse des Klappenventils in einer Verlängerung der baulichen Trennung der Stränge angeordnet. In der dritten Stellung verlängert das Klappenventil somit die bauliche Trennung bis zu einer Wandung des Abgaskanals. Dadurch ist ein symmetrischer Aufbau des Klappenventils möglich.
Vorzugsweise ist die Drehachse des Klappenventils mittig im Abgaskanal angeordnet. Die Drehachse schneidet dabei eine axiale Kanalmittelachse des Abgaskanals in diesem Bereich. Das Klappenventil wird dadurch symmetrisch im Abgaskanal angeordnet, so dass auch der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils symmetrisch ausgeformt sein kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Drehachse des Klappenventils an einer den Strängen gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals angeordnet. Die Drehachse ist dabei derart angeordnet, dass sie den größten radialen Abstand zu den Strängen aufweist. In der ersten Stellung wird dadurch der Strömungswiderstand des Klappenventils durch die im Wesentlichen außerhalb der Hauptströmung liegende Klappe und Drehachse, reduziert. Bei dieser Ausgestaltung ist die Klappe vorzugsweise eine Rechteckklappe und der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils rechteckig ausgeformt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein von der Drehachse entferntes Klappenende in der zweiten und dritten Stellung unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung zwischen den Strängen angeordnet. Das Klappenende ist dabei derart angeordnet, dass ein Abstand zwischen Klappenende und Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung minimal ist, so dass lediglich eine Leckageströmung zwischen Klappenende und Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung vorhanden ist. Dadurch kann die Strömung in einer Richtung vollständig gestoppt und in eine andere Richtung umgelenkt werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Abgasrückführvorrichtung eine Niederdruckabgasrückführvorrichtung. Durch die Möglichkeit der parallelen Durchströmung beider Stränge ist der Betrieb des Wärmetauschers auch bei geringem Gegendruck wie er bei einer Niederdruckabgasrückführvorrichtung vorliegt, gegeben.
Vorzugsweise ist der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils kugelförmig ausgebildet, wobei ein Durchmesser der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser. Dadurch kann für die Klappe eine Anlagefläche bereitgestellt werden, so dass eine Strömung im Abgaskanal unterbunden werden kann. Diese Anlagefläche ist durch den größeren Durchmesser außerhalb der Hauptströmung vorgesehen, so dass die Hauptströmung im Abgaskanal nicht durch die Anlagefläche gestört wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser der kugelförmigen Ausformung größer als eine Breite beider Stränge des Wärmetauschers ist. Dadurch kann die Klappe, insbesondere in der zweiten Stellung, den Abgaskanal verschließen und den Abgasstrom in die Stränge umleiten, ohne dass ein Klappenende in den Öffnungsquerschnitt des in Strömungsrichtung nachgelagerten Stranges ragt. Zusätzlich wird durch eine solche Ausformung die Herstellung des Kanalgehäuses vereinfacht.
Die bauliche Trennung zwischen den Strängen des Wärmetauschers ist vorzugsweise eine Trennwand. Die Trennwand bildet dabei eine Begrenzungswand jeden Stranges des Wärmetauschers. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile für den Wärmetauscher klein gehalten und der Wärmetauscher weist eine sehr kompakte Größe auf.
Es wird somit eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche auch bei einem hohen Anteil an rückgeführtem Abgas einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die rückgewonnene thermische Energie hat.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. In diesen zeigen :
Figur 1 : Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten
Ausführungsbeispiel in einer ersten Stellung bei geschlossenem AG R- Ventil,
Figur 2: Abgasrückführvorrichtung nach Figur 1 bei geöffnetem AGR- Ventil,
Figur 3 : Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten
Ausführungsbeispiel in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AG R- Ventil,
Figur 4: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer dritten Stellung bei geschlossenem AG R- Ventil,
Figur 5 : Abgasrückführvorrichtung nach Figur 4 bei geöffnetem AGR- Ventil, und
Figur 6: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Abgasrückführvorrichtung nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AG R- Ventil .
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abgasrückführvorrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Abgasrückführvorrichtung 10 umfasst einen Abgaskanal 14, welcher Abgas 18 von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitet, und einen Einlasskanal 22, welche Verbrennungsluft 26 zur Verbrennungskraftmaschine leitet. Die Abgasrückführvorrichtung 10 umfasst zusätzlich einen Wärmetauscher 30, welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal 14 und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem in den Einlasskanal 22 mündenden Abgasrückführkanal 34 fluidisch verbunden ist. Der Wärmetauscher 30 weist zwei über eine Trennwand als bauliche Trennung 38 getrennte Stränge 42, 44 auf, welche vor dem Abgasrückführkanal 34 in einem Sammler 46, der direkt mit dem Abgasrückführkanal 34 verbunden ist, vereint werden. In dem Abgasrückführkanal 34 ist ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 50 angeordnet, welches zwischen einer Stellung, bei welcher der Abgasrückführkanal 34 geschlossen ist und einer Stellung, bei welcher der Abgasrückführkanal 34 vollständig geöffnet ist, stufenlos verstellbar ist. Das in Figur 1 gezeigte AGR-Ventil 50 ist in einer geschlossenen Stellung dargestellt.
In dem Abgaskanal 14 ist ein als ein Schmetterlingsventil ausgebildetes Klappenventil 54 angeordnet. Im Bereich des Schmetterlingsventils 54 ist der Abgaskanal 14 kugelförmig ausgebildet, wobei ein Durchmesser DK der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser DA und größer ist als eine Breite B beider Stränge 42, 44 des Wärmetauschers 30. Eine Drehachse 58 des Schmetterlingsventils 54 ist dabei mittig im Abgaskanal 14 in einer Verlängerung der Trennwand 38 der beiden Stränge 42, 44 angeordnet. Das in Figur 1 gezeigte Schmetterlingsventil 54 ist in einer ersten Stellung dargestellt, bei welcher der Abgaskanal 14 vollständig geöffnet ist. Das Schmetterlingsventil 54 kann jedoch auch Zwischenstellungen zwischen der ersten und der in Figur 3 gezeigten zweiten Stellung einnehmen. In der ersten Stellung erstreckt sich das Schmetterlingsventil 54 im Wesentlichen in einer Strömungsrichtung des Abgaskanals 14. In der gezeigten Stellung des Schmetterlingsventils 54 und des AGR-Ventils 50 wird keine Strömung im Wärmetauscher 30 erzeugt.
Die Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 2 unterscheidet sich von der Abgasrückführvorrichtung 10 nach Figur 1 dadurch, dass bei der Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 2 das AGR-Ventil 50 geöffnet ist. Dadurch wird ein Teil des Abgases 18 zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt. Dieses rückgeführte Abgas verursacht eine Strömung im Wärmetauscher 30, so dass die Wärme aus dem rückgeführten Abgas zurückgewonnen werden kann. Da in der in Figur 2 gezeigten Stellung beide Stränge 42, 44 zum Abgaskanal 14 offen sind, wird der Wärmetauscher 30 über beide Stränge 42, 44 von dem rückgeführten Abgas durchströmt, so dass der effektive Querschnitt des Wärmetauscher 30 vergrößert wird und dadurch der Anteil der zurückgewonnenen thermischen Energie erhöht wird.
In Figur 3 ist die Abgasrückführvorrichtung 10 in einer zweiten Stellung des Schmetterlingsventils 54 bei geöffnetem AGR-Ventil 50 gezeigt. Das Schmetterlingsventil 54 kann jedoch auch Zwischenstellungen zwischen der zweiten und der in Figur 4 gezeigten dritten Stellung einnehmen. In der zweiten Stellung sind zu der Drehachse 58 entfernte Klappenenden des Schmetterlingsventils 54 unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung 62 angeordnet. Dabei verschließt das Schmetterlingsventil 54 den Abgaskanal 14 in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge 42, 44. Der gesamte Abgasstrom des Abgaskanals 14 wird dadurch zurückgeführt und durchströmt beide Stränge 42, 44 des Wärmetauschers 30 in Richtung des Abgasrückführkanals 34. Dadurch kann auch bei maximaler Abgasrückführung der volle Wärmetauscherquerschnitt durchströmt werden.
In Figur 4 ist die Abgasrückführvorrichtung 10 in einer dritten Stellung des Schmetterlingsventils 54 bei geschlossenem AGR-Ventil 50 gezeigt. In der dritten Stellung sind zu der Drehachse 58 entfernte Klappenenden des Schmetterlingsventils 54 unmittelbar gegenüberliegend zu der Trennwand 38 bzw. zu der Abgaskanalwandung 62 angeordnet, dabei verschließt das Schmetterlingsventil 54 den Abgaskanal 14 im Bereich zwischen beiden Strängen 42, 44, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang 44 geleitet wird. Über den Sammler 46, welcher beide Stränge 42, 44 miteinander verbindet wird das Abgas 18 in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Strang 44 über den zweiten Strang 42 zurück in den Abgaskanal 14 geleitet. Dadurch kann im Bedarfsfall die gesamte Länge des Wärmetauschers 30 durchströmt werden.
Die Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 5 unterscheidet sich von der Abgasrückführvorrichtung 10 nach Figur 4 dadurch, dass bei der Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 5 das AGR-Ventil 50 geöffnet ist. Dadurch wird in Abhängigkeit der Stellung des AGR-Ventils 50 ein Teil des Abgases 18 zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt. Der zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeführte Abgasanteil wird dabei lediglich über den in Abgasrichtung des Abgaskanals 14 vorgelagerten ersten Strang 44 gekühlt, während der nicht zurückgeführte Abgasanteil über den zweiten Strang 42 zum Abgaskanal 14 gekühlt zurückgeleitet wird. Dadurch wird heißeres Abgas 18 in den Einlasskanal geleitet, welches bei kalten Betriebsbedingungen die Gefahr von Kondensatbildung vermindert.
In Figur 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Abgasrückführvorrichtung 10 gezeigt, welches beispielhaft in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AGR-Ventil 50 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 58 des Klappenventils 54 an einer den Strängen 42, 44 gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals 14 angeordnet. Die zu den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Stellungen des Schmetterlingsventils 54 und des AGR-Ventils 50 sind auch für das zweite Ausführungsbeispiel möglich. Es ergeben sich somit für das zweite Ausführungsbeispiel die gleichen bereits zuvor für das erste Ausführungsbeispiel beschriebenen Funktionen.
Die beschriebene erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung ist somit für den Niederdruckbereich geeignet und weist somit einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die zurückgewonnene thermische Energie auf. Darüber hinaus ist eine Regelbarkeit der zurückgewonnenen thermischen Energie gegebenen.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Abgasrückführvorrichtung beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen und konstruktive Änderungen denkbar sind. Beispielsweise sind andere Ausgestaltungen des Klappenventils möglich. Auch müssen die Stränge nicht durch eine einzige Trennwand voneinander getrennt sein, sondern können durch unabhängig voneinander angeordnete Stränge ausgebildet sein. Bezugszeichenliste
10 Abgasrückführvorrichtung
14 Abgaskanal
18 Abgas
22 Einlasskanal
26 Verbrennungsluft
30 Wärmetauscher
34 Abgasrückführkanal
38 bauliche Trennung
42 Strang
44 Strang
46 Sammler
50 Abgasrückführventil
54 Klappenventil
58 Drehachse
62 Abgaskanal wandung
DK Durchmesser kugelförmigen Ausformung
DA Abgaskanaldurchmesser
B Breite

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Abgasrückführvorrichtung (10) für eine
Verbrennungskraftmaschine umfassend :
einen Abgaskanal (14), über welchen Abgas (18) von der Verbrennungskraftmaschine ableitbar ist,
einen Einlasskanal (22), über welchen Verbrennungsluft (26) zur Verbrennungskraftmaschine leitbar ist,
einen Wärmetauscher (30), welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal (14) fluidisch verbindbar ist, und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbindbar ist, welcher in den Einlasskanal (22) mündet, wobei der Wärmetauscher (30) zwei baulich voneinander getrennte Stränge (42, 44) aufweist, welche in einen Sammler (46) münden, der mit dem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbunden ist,
ein Abgasrückführventil (50), welches in dem Abgasrückführkanal (34) angeordnet ist, über welches ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführkanals (34) regelbar ist,
ein Klappenventil (54), welches derart im Abgaskanal (14) angeordnet ist, dass das Klappenventil (54) in einer ersten Stellung den Abgaskanal (14) freigibt, in einer zweiten Stellung den Abgaskanal (14) in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom beide Stränge (42, 44) in Richtung des Abgasrückführkanals (34) durchströmt, und in einer dritten Stellung das Klappenventil (54) den Abgaskanal (14) im Bereich zwischen beiden Strängen (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang (44) leitbar ist, und der zweite Strang (42) in Abhängigkeit der Stellung des Abgasrückführventils (50) in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappenventil (54) stufenlos zwischen den drei Stellungen verstellbar ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappenventil (54) ein Schmetterlingsventil ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) in einer Verlängerung der baulichen Trennung (38) der Stränge (42, 44) angeordnet ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) mittig im Abgaskanal (14) angeordnet ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) an einer den Strängen (42, 44) gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals (14) angeordnet ist. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Drehachse (58) entferntes Klappenende in der zweiten und dritten Stellung unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung (62) bzw. der baulichen Trennung (38) zwischen den Strängen (42, 44) angeordnet ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführvorrichtung (10) eine Niederdruck- abgasrückführvorrichtung ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal (14) im Bereich des Klappenventils (54) kugelförmig ausgebildet ist, wobei ein Durchmesser (DK) der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser (DA).
Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (DK) der kugelförmigen Ausformung größer als eine Breite (B) beider Stränge (42, 44) des Wärmetauschers (30) ist.
Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Trennung (38) zwischen den Strängen (42, 44) des Wärmetauschers (30) eine Trennwand ist.
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