DE102006055814B4

DE102006055814B4 - Turbogeladener Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102006055814B4
Application number: DE102006055814.6A
Authority: DE
Inventors: Evangelos Karvounis; Johannes Künstler; Daniel Röttger; Christian Vigild; Charles Tumelaire
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: DE102006055814A1

Abstract

Verbrennungsmotor (1), der einen Turbolader (6) aufweist, wobei Abgase des Verbrennungsmotors (1) aus einem Abgasstrang (8) stromabwärts einer Turbinenseite (7) des Turboladers (6) entnommen und in seine Frischluftleitung (16) stromaufwärts einer Verdichterseite (13) des Turboladers (6) eingespeist werden, so dass die Frischluft mit den darin vermischten Abgasen in der Verdichterseite (13) des Turboladers (6) verdichtet werden und einer einlassseitigen Saugleitung (21) zugeführt werden, wobei in der Saugleitung (21) ein Kühlelement (22) integriert ist, so dass die mit den Abgasen vermischte Frischluft innerhalb der Saugleitung (21) gekühlt wird, wobei die Saugleitung (21) in einem Luftverteiler mündet dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (22) so ausgerichtet und derart ausgelegt ist, dass eventuell entstehendes Kondensat nur in Richtung von Einlassventilen des Verbrennungsmotors (1) laufen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei der Verbrennungsmotor einen Turbolader aufweist, wobei Abgase des Verbrennungsmotors aus einem Abgasstrang entnommen und in seine Frischluftleitung eingespeist werden, so dass die Frischluft mit den darin vermischten Abgasen in einen Verdichterteil des Turboladers verdichtet werden und einer einlassseitigen Saugleitung zugeführt werden.
Die DE 10 2005 008 103 A1 offenbart eine Niederdruck-AGR, wobei in der AGR Leitung ein AGR Kühler angeordnet ist. Das rückgeführte Abgas wird der Frischluft stromauf des Verdichters zugeführt, wobei stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler zum Kühlen des Gemisches aus Frischluft und Abgas vorgesehen ist. Dabei entsteht Kondensat. Das Kondensat wird mit der Strömungsrichtung aus dem Kühler ausgetragen, und im Austrittskasten in einer dafür geeigneten Wanne aus Edelstahl oder Kunststoff aufgefangen.
Die DE 33 38 273 A1 befasst sich mit einer Antriebseinrichtung für Fahrzeuge, wobei einem Ladeluftkühler ein von der Ladeluft durchströmter Ölabscheideraum vorgeschaltet ist, in dem von der Ladeluft aus dem Lader mitgerissenes Schmieröl abgeschieden wird. Eine mögliche Kondensatbildung wird in der DE 33 38 273 A1 überhaupt nicht thematisiert. Stattdessen soll mit der Lehre der DE 33 38 273 A1 lediglich ein Weg gefunden werden, den Wärmeübergang auf der Ladeluftseite des Ladeluftkühlers und damit den Wirkungsgrad des Kühlers zu erhöhen, indem durch das abgeschiedene Öl Schmierölablagerungen an den Wärmetauscherflächen vermieden werden.
Die WO 01/92711 A2 offenbart, dass ein Ladeluftkühler zum Kühlen eines Luft/AGR-Gemisches vorgesehen ist, wobei ein Abkühlen unter den Taupunkt vorgesehen ist, so dass Kondensat entsteht. Der Ladeluftkühler ist, wie gemäß der DE 10 2005 008 103 A1 mit einem Sammelraum ausgestattet. Um ein Eintreten von Kondensat in den Motor zu verhindern wird vorgeschlagen, einen Wasserstandsensor an dem Sammelraum anzuordnen, um den Wasserstand des Sammelraums zu überwachen. Ist ein Grenzwasserstand erreicht, wird (unter Beachtung weiterer Parameter) ein Ventil geöffnet, so dass der Sammelraum geleert wird. Dabei wird der Sammelraum in die Umgebung entleert.
Die FR 2 893 677 A1 offenbart einen Ladeluftkühler, der von einer Mischung aus Luft und rückgeführten Abgas durchströmt wird. Dabei ist ein Sammelraum offenbart, in dem sich in dessen unteren Teil Kondensat sammelt.
Die EP 1 340 904 A1 betrifft einen Verbrennungsmotor, bei welchem Abgase oder zumindest ein Teil der Abgase zurückgeführt und der Frischluft bzw. den frischen Verbrennungsgasen des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Diese mit den Abgasen vermischte Frischluft wird einem Verdichterteil eines Turboladers zugeführt, welcher die verdichtete Ladeluft in eine Saugleitung des Verbrennungsmotors drückt. Der Saugleitung ist ein Ladeluftkühler zugeordnet.
Die DE 103 32 989 A1 offenbart eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit im Abgasweg liegendem Turbolader, mit einem Ladeluftkühler, der als Luft-Luft-Kühler ausgebildet ist und mit auf die Brennkraftmaschine ausmündenden Luftrohren und einem stromauf derselben vorgesehenen Luftverteiler. Der Ladeluftkühler ist in dem Luftverteiler integriert.
In der EP 1 059 435 A2 ist eine Luftansaugkanalanordnung für eine Brennkraftmaschine offenbart, die zumindest zwei Gehäuseteile aufweist, die im zusammengesetzten Zustand einzelne zu jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine führende Luftansaugkanäle und einen Abgasrückführkanal ausformen. Zumindest ein Gehäuseteil weist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des durch den Abgasrückführkanal strömenden Abgases auf, wobei im zusammengesetzten Zustand der Gehäuseteile ein Kühlwasserkanal ausgeformt ist.
Übliche Einlass- und Auslasssysteme eines Verbrennungsmotors bedürfen einer extensiven Steuerung und Kalibrierung, um eine akzeptable Leistung sowohl während des dynamischen Betriebs des Motors als auch im Stationärbetrieb gewährleisten zu können. Insbesondere bei Dieselmotoren ist ein Hauptproblem in der äußerst schwierigen Kopplung zwischen der Abgasrückführungsregelung und der davon getrennten Ladedruckregelung zu sehen. Das bedeutet, es ist derzeit nicht möglich, einen der beiden Parameter zu regeln, ohne die Regelung des anderen Parameters zu stören bzw. nachteilig zu beeinflussen. Vielmehr müssen beide Parameter parallel überwacht bzw. geregelt werden. Dies erfordert jeweils separate Elemente, die getrennt geregelt werden müssen und äußerst kostenintensiv sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In der Saugleitung ist ein Kühlelement integriert, so dass die mit den Abgasen vermischte Frischluft innerhalb der Saugleitung gekühlt wird, wobei die Saugleitung in einen Luftverteiler mündet. Erfindungsgemäß ist das Kühlelement derart ausgelegt und so ausgerichtet, dass eventuell entstehendes Kondensat nur in Richtung von Einlassventilen des Verbrennungsmotors laufen kann.
Das Kühlelement ist als kombinierter Ladeluftkühler und Abgasrückführkühler ausgeführt, wobei die Abgase stromabwärts, also in Strömungsrichtung der Abgase gesehen hinter dem Turbolader bzw. seiner Turbinenseite entnommen und der Frischluftleitung stromaufwärts, also in Strömungsrichtung der Abgase gesehen vor dem Turbolader bzw. seiner Verdichterseite zugeführt werden. Somit wird eine Niederdruck Abgasruckführung mit einem einzigen Saugleitungskühlelement zur Verfügung gestellt.
Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn die Abgase stromabwärts eines in der Abgasleitung angeordneten Partikelfilters bzw. Dieselpartikelfilters entnommen werden, wobei in dem Abgasstrang günstiger Weise ein Steuersystem zur Steuerung des Abgasgegendrucks und der Abgasrückführung angeordnet ist.
Zweckmäßig ist, wenn die Abgasleitung über eine Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) mit der Frischluftleitung verbunden ist, wobei in der AGR-Leitung ein Steuerelement angeordnet ist. Das Steuerelement kann bevorzugt als Ventil ausgeführt sein.
Insgesamt wird mittels der Erfindung ein mit einfachen Mitteln verbessertes Einlass- und Auslasssystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor zur Verfügung gestellt, bei der die Aufladung und insbesondere die Kühlung der Einlassluft bzw. der frischen Verbrennungsgase und der damit vermischten, Rückgeführten Abgase (AGR) miteinander kombiniert wird. Das erfindungsgemäße System beinhaltet eine Abgasrückführung stromaufwärts des Turboladers bzw. seiner Verdichterseite, eine Abgasentnahme stromabwärts des Partikelfilters bzw. des Dieselpartikelfilters, wobei das Kühlelement vorteilhaft in der Saugleitung bzw. im Saugrohr integriert ist.
Damit ist ein im Vergleich zum Stand der Technik separat notwendiger Abgaskühler nicht mehr erforderlich, da die Kühlung der Abgase in dem kombinierten Kühlelement durchgeführt wird. Gleichzeitig kann auf einen zusätzlichen Ladeluftkühler verzichtet werden, da das Kühlelement auch diese Aufgabe übernimmt. Dadurch, dass das Kühlelement in der Saugleitung bzw. im Saugrohr integriert ist und eine Doppelfunktion ausübt, nämlich zum einen die frischen Verbrennungsgase und zum anderen die damit vermischten Abgase bzw. die rückgeführten Abgase zu kühlen, ergibt sich insgesamt auch ein reduzierter Regelungs- und Kalibrationsaufwand, wobei einfache und damit preiswertere, einlassseitige Sensoren verwendet werden können, wobei zudem vereinfachte Abgasrückführventilausführungen eingesetzt werden können.
Gleichzeitig kann auf eine zweistufige Aufladung, die unter anderem zur Emissionssteuerung verwendet wurde, verzichtet werden, wobei insbesondere eine verbesserte Regeneration des Dieselpartikelfilters erreicht wird, was gleichzeitig einen reduzierten Regelungs- und Kalibrationsaufwand nach sich zieht. Zudem werden die Abgasrückführungs- und Ladedruckregelungsprobleme entkoppelt, wodurch ebenfalls ein reduzierter Regelungs- bzw. Kalibrationsaufwand beobachtet wird. Dadurch, dass das Kühlelement in der Saugleitung bzw. im Saugrohr integriert ist und erfindungsgemäß so ausgerichtet bzw. derart ausgelegt ist, dass im Kühlelement eventuell entstehendes Kondensat nur in Richtung der Einlassventile laufen kann, kann sich vorteilhaft keine größere Kondenswassermenge bilden, womit die Gefahr von Wasserschlag gebannt ist. Durch das in der Abgasleitung vorteilhaft vorgesehene Regelungssystem zur Regelung des Abgasgegendrucks und der Abgasrückführung ergibt sich insgesamt eine verbesserte Fahrleistung. Weiterhin bietet das System die Möglichkeit mittels Abgasdrosselung den Abgasgegendruck zu erhöhen und somit die Temperatur im Abgasstrang signifikant zu erhöhen. Diese Effekte können beispielsweise während einer Dieselpartikelfilter-Regeneration genutzt werden, und sind unter Umständen geeignet im Stand der Technik bekannte Nacheinspritzungen und damit Ölverdünnungen zu vermeiden. Ferner kann die Erhöhung des Abgasgegendrucks genutzt werden, um das Druckgefälle über die AGR-Strecke bzw. AGR-Leitung zu erhöhen, um so die Regelbarkeit der Abgasrückführung zu verbessern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
1 eine Prinzipskizze eines turbogeladenen Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung.
1 zeigt einen turbogeladenen Verbrennungsmotor 1 mit einer Auslassseite 2 und einer Einlassseite 3. Der Verbrennungsmotor 1 kann als Ein- oder Mehrzylindermotor ausgeführt sein, wobei der Verbrennungsmotor selbstverständlich auch als V-Motor oder in irgendeiner anderen Ausgestaltung ausgeführt sein kann. Das dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Dieselmotor, soll jedoch nicht auf Dieselmotoren limitiert sein.
Der Auslassseite 2 ist eine Abgasleitung 4 zugeordnet, welche die in dem Verbrennungsmotor 1 entstehenden Abgase einem Turbolader 6 bzw. seiner Turbinenseite 7 zuführen und die Turbinenseite 7 durchströmen. Aus der Turbinenseite 7 strömen die Abgase in einen Abgasstrang 8, in dem nacheinander ein Katalysator 9, ein Dieselpartikelfilter bzw. Partikelfilter 11 und ein Schalldämpfer 12 angeordnet ist.
Gegenüberliegend zur Turbinenseite 7 weist der Turbolader 6 eine Verdichterseite 13 auf, wobei die Turbinenseite 7 über eine Welle 14 mit der Verdichterseite 13 verbunden ist.
In der Verdichterseite 13 mündet eine Frischluftleitung 16, welche Frischluft durch einen Luftfilter 17 strömend der Verdichterseite 13 zuführt.
In der Frischluftleitung 16 mündet zudem eine Abgasrückführleitung 18 (AGR-Leitung), welche Abgase stromabwärts der Turbinenseite 7 bzw. in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stromabwärts des Dieselpartikelfilters 11 aus dem Abgasstrang 8 entnehmen und zur Frischluftleitung 16 leitet. Der Abgasrückführleitung 18 kann ein Wärmetauscher vor einem nicht dargestellten AGR-Ventil zugeordnet sein, um nachteile bezüglich zu hoher Temperaturen des Frischluft/Abgasgemisches vor dem Verdichter zu vermeiden. Dieser Wärmetauscher kann zweckmäßigerweise eine Vorrichtung zum Ablassen des Kondensats vor dem Verdichter aufweisen. In der Abgasrückführleitung 18 ist ein Steuerelement 19 bzw. ein Ventil angeordnet.
Die frischen Verbrennungsgase und die rückgeführten Abgase vermischen sich in der Frischluftleitung 16 und strömen in die Verdichterseite 13 des Turboladers 6 ein und werden in eine einlassseitige Saugleitung 21 gefördert.
In der Saugleitung 21 ist ein Kühlelement 22 integriert, so dass die mit der Frischluft bzw. den frischen Verbrennungsgasen vermischten Abgase in der Saugleitung 21 bzw. innerhalb der Saugleitung 21 gekühlt werden. Das Kühlelement 22 ist als kombinierter Kühler ausgeführt. Der Saugleitung 21 ist zudem ein Ventil 23 zugeordnet, um die Saugleitung 21 zu schließen, wenn der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist.
In dem Abgasstrang 8 ist stromabwärts der Abgasrückführleitung 18 ein Regelsystem 24 zur Regelung des Abgasgegendrucks und der Abgasrückführung angeordnet. Das Regelsystem 24 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stromaufwärts des Schalldämpfers 12 angeordnet. Das Regelsystem 24 weist eine in den Abgasstrang 8 integrierte Klappe 26 und im Bereich der Klappe 26 angeordneten Bypass 27 auf, in dem ein Ventil 28 angeordnet ist. Natürlich soll dieses Ausführungsbeispiel zur Regelung des Abgasgegendrucks nicht auf das beschriebene System beschränkt sein, wobei alle geeigneten Systeme zur Regelung des Abgasgegendrucks einsetzbar sein können. Günstiger Weise kann das im Abgasstrang 8 angeordnete Regelsystem 24 während der Regenerationsphase des Partikelfilters 11 bzw. des Dieselpartikelfilters verwendet werden, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, wobei z. B. eine Motorölverdünnung durch späte Nacheinspritzung-/en bzw. späte Diesel-Nacheinspritzung-/en verringert bzw. vermieden werden kann. Mit der Erhöhung des Abgasgegendrucks kann aber auch eine stabilere Abgasrückführung erreicht werden.
Die Saugleitung 21 mündet einlassseitig in einen nicht dargestellten Luftverteiler, um die einzelnen Zylinder mit dem erforderlichen Luftstrom bzw. der erforderlichen Menge an Verbrennungsgasen zuzuführen.

Claims

Verbrennungsmotor (1), der einen Turbolader (6) aufweist, wobei Abgase des Verbrennungsmotors (1) aus einem Abgasstrang (8) stromabwärts einer Turbinenseite (7) des Turboladers (6) entnommen und in seine Frischluftleitung (16) stromaufwärts einer Verdichterseite (13) des Turboladers (6) eingespeist werden, so dass die Frischluft mit den darin vermischten Abgasen in der Verdichterseite (13) des Turboladers (6) verdichtet werden und einer einlassseitigen Saugleitung (21) zugeführt werden, wobei in der Saugleitung (21) ein Kühlelement (22) integriert ist, so dass die mit den Abgasen vermischte Frischluft innerhalb der Saugleitung (21) gekühlt wird, wobei die Saugleitung (21) in einem Luftverteiler mündet dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (22) so ausgerichtet und derart ausgelegt ist, dass eventuell entstehendes Kondensat nur in Richtung von Einlassventilen des Verbrennungsmotors (1) laufen kann.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (22) als kombinierter Ladeluftkühler und Abgasrückführkühler ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase stromabwärts eines in dem Abgasstrang (8) angeordneten Partikelfilters (11) entnommen werden.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abgasstrang (8) ein Regelsystem (24) zur Regelung des Abgasgegendrucks und der Abgasrückführung angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrang (8) über eine Abgasrückführleitung (18) mit der Frischluftleitung (16) verbunden ist, wobei in der Abgasrückführleitung (18) ein Steuerelement (19) angeordnet ist.