DE102008040312B4

DE102008040312B4 - System zum Regeln der Kondensation im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008040312B4
Application number: DE102008040312.1A
Authority: DE
Inventors: Adell W. Brecheisen
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: US7530336B2; US20090013977A1; DE102008040312A1

Abstract

System zum Regeln der Kondensation im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit einem Ladeluftkühler (36), wobei das System einen Umleitungsdurchgang (58) für Luft am Ladeluftkühler (36) vorbei, ein Ventil (56) zum Regeln der Luft durch den Umleitungsdurchgang (58) und einen Ladeluftmischer (70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensatabscheider (60) seriell in dem Motoransaugtrakt (12) dem Ladeluftkühler (36) zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Motoransaugtrakt-Fluidstrom nachgelagert ist, wobei dem Ladeluftmischer (70) dem Kondensatabscheider (60) nachgelagert Fluid aus dem Umleitungsdurchgang (58) zugeführt wird, um mindestens Fluid aus dem Umleitungsdurchgang (58) mit dem Motoransaugtrakt (12) zu mischen, um die Temperatur in dem Motoransaugtrakt (12) über den Taupunkt des dort hindurchströmenden Fluids anzuheben, wobei Kondensatabscheider (60) und Ladeluftmischer (70) eine einzige Einheit sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Regeln der Kondensation im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit einem Ladeluftkühler, wobei das System einen Umleitungsdurchgang für Luft am Ladeluftkühler vorbei, ein Ventil zum Regeln der Luft durch den Umleitungsdurchgang und einen Ladeluftmischer aufweist.
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung, insbesondere jene, die für industrielle, landwirtschaftliche und kommerzielle Zwecke verwendet werden, müssen zusehends strengere Auflagen in Bezug auf Emissionen erfüllen und zugleich weiterhin jene Standfestigkeit und jenen Wirkungsgrad bieten, die Betreiber mittlerweile von dieser Art von Motor erwarten. Um eine Verringerung der Emissionen zu erreichen, sind viele Motoren nunmehr mit Abgasrückführsystemen (AGR-Systemen) ausgestattet. Diese Systeme führen einen Teil der Verbrennungsprodukte zu dem Ansaugtrakt des Motors zurück, um die Verbrennungstemperaturen und damit die Erzeugung von Stickoxiden zu reduzieren. Zwar sind die Systeme dieses Typs imstande, Stickoxide angemessen zu reduzieren, sie verursachen jedoch andere technische Probleme, die es zu lösen gilt.
Ein konkretes Problem ist die Neigung zur Bildung flüssiger Kondensate im Ansaugtrakt, der zum Motor führt. In vielen Fällen enthält das Kondensat saure Produkte, die erhöhten Verschleiß und/oder erhöhte Korrosion an den Komponenten des Motoransaugtrakts verursachen können. Das Problem ist besonders akut, wenn man es mit Motoren mit Niederdruck-AGR zu tun hat, d.h. einer AGR, die von einem Punkt in dem System, der einer mit dem Motor verbundenen Turboladerturbine nachgelagert ist, zu dem Ansaugtrakt des Motors führt. Das Betreiben eines Motors mit Erdgas als Kraftstoff führt auch zur Erzeugung von erhöhter Feuchtigkeit in dem AGR-Fluid.
Wird das AGR-Fluid durch einen Ladeluftkühler hindurchgeführt, so kann die Verringerung der Temperatur, die mit dem Kühlen der Ladeluft, um ihre Dichte zu erhöhen, einhergeht, unter gewissen Umständen die Temperatur des Fluids unter den Taupunkt absenken, was dazu führt, dass die Flüssigkeit aus dem Fluidstrom kondensiert. Wie oben erwähnt, hat diese Kondensation eine nachteilige Wirkung auf das System, das bis zu dem Motorbrennraum hinführt und diesen mit einschließt.
Vor diesem Hintergrund geht aus der DE 42 00 661 A1 eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine hervor, die einen Abgasturbolader und einen Ladeluftkühler umfasst, wobei der Ladeluftkühler über eine Ladeluftleitung einerseits mit dem Abgasturbolader und andererseits mit einem Zylinderraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. Zusätzlich ist eine den Ladeluftkühler umgehende, über ein Ventil steuerbare Bypassleitung vorgesehen. Die Bypassleitung erlaubt es, einen Teil der Ladeluft am Ladeluftkühler vorbeizuführen, wobei die Menge der vorbeigeführen Ladeluft durch gesteuertes Öffnen des Ventils derart eingestellt wird, dass sich hinter dem Ladeluftkühler für die gesamte Ladeluftmenge eine Ladelufttemperatur ergibt, die über dem Taupunkt liegt und zugleich die für die Brennkraftmaschine zulässige Höchsttemperatur nicht überschreitet.
Des Weiteren ist aus der EP 1 724 453 A1 eine Turboladeranordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung bekannt. Die Turboladeranordnung umfasst einen Abgaskühler und einen Ladeluftkühler zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft, einen Verdichter zur Verdichtung der Ladeluft sowie einen Kondensatabscheider.
Mittels des Kondensatabscheiders kann der sich in dem Kondensat, welches sich bei Erreichen und Unterschreiten der Taupunkttemperatur bildet, befindliche korrosive Anteil des Abgases aus dem Abgasstrom oder dem Ladeluftstrom entfernt werden.
Es besteht in Bezug auf den Stand der Technik ein Bedarf an einer wirksamen Lösung, um Kondensation in dem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotorsystems weiter zu minimieren oder sogar ganz zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein System zum Regeln der Kondensation in dem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit einem Ladeluftkühler (LLK) gelöst. Das System weist einen Umleitungsdurchgang für Luft am LLK vorbei, ein Ventil zum Regeln von Luft durch den Umleitungsdurchgang und einen Ladeluftmischer auf. Ein Kondensatabscheider ist seriell in dem Motoransaugtrakt dem Ladeluftkühler zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Ansaugfluidstrom nachgelagert. Dem Ladeluftmischer wird dem Kondensatabscheider nachgelagert Fluid aus dem Umleitungsdurchgang zugeführt, um mindestens Fluid aus dem Umleitungsdurchgang mit dem Motoransaugtrakt zu mischen, um die Temperatur in dem Ansaugtrakt über den Taupunkt des dort hindurchströmenden Fluids anzuheben, wobei Kondensatabscheider und Ladeluftmischer eine einzige Einheit sind.
1 ist eine schematische Darstellung des Systems, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Auf 1 Bezug nehmend wird darin ein Verbrennungsmotor dargestellt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Der Motor 10 ist von dem Typ, der Kolben aufweist, welche sich in Zylindern hin- und herbewegen und mit einer Kurbelwelle verbunden sind, um Drehleistung zu erzeugen.
Einzelheiten der inneren Komponenten des Motors 10 sind nicht dargestellt, um das Verstehen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Der Motor 10 erhält Luft zur Verbrennung aus einem Motoransaugtrakt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist. Der Motoransaugtrakt 12 weist eine Anzahl von Komponenten auf, die weiter unten im Detail beschrieben werden. Zweck des Motoransaugtrakts 12 ist es, den Zylindern des Motors 10 Luft zur Verbrennung zuzuführen.
Der Motor 10 kann vom Selbstzündungstyp sein, bei dem Ansaugluft ausreichend komprimiert wird, so dass sie die Verbrennung herbeiführt, wenn Dieselkraftstoff eingespritzt wird, ehe die Kolben ihre oberste Stellung erreichen. Alternativ dazu kann der Motor 10 mit einem Gemisch aus Erdgas und Luft betrieben werden, das durch eine Funkenzündvorrichtung gezündet wird, um die Verbrennung herbeizuführen. Es gibt zahlreiche andere Formen von Verbrennungssystemen, die auf den Motor 10 angewandt werden können, einschließlich Kombinationen aus Erdgas und Dieselkraftstoff als Energiequelle. Es können auch andere Systeme verwendet werden, beispielsweise Benzin- oder Flüssiggas/Luft-Gemische, die funkengezündet sind.
Unabhängig davon, welches Verbrennungssystem verwendet wird, werden die Verbrennungsprodukte vom Motor 10 über einen Motorauspuff abgeführt, der allgemein mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet ist. Wie bei dem Motoransaugtrakt 12 werden die Komponenten des Motorauspuffs 14 weiter unten ausführlich beschrieben. Zweck des Motorauspuffs 14 ist es, die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus dem Motor 10 in die Atmosphäre 16 abzutransportieren. Aus dem Auspuff 14 kann durch einen Turbolader 18 in dem System weitere Energie gewonnen werden. Die Gase in dem Auspuff können durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, die Schalldämpfungsvorrichtungen, Partikelfilter und Stickoxidreduktionsvorrichtungen aufweisen kann, gereinigt werden.
Der Motorauspuff 14 weist einen Auspuffkrümmer 22 auf, der Verbrennungsprodukte von einzelnen Zylindern erhält und die Abgase durch einen Kanal 24 einer Turbine 26 des Turboladers 18 zuführt. Die Turbine 26 des Turboladers 18 treibt einen Kompressor 28 zum Beaufschlagen von Luft in dem Motoransaugtrakt 12 mit Druck an. Aus der Turbine 26 austretende Abgase werden durch einen anderen Abgaskanal 30 zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 geführt, um an die Atmosphäre 16 abgegeben zu werden.
Der Motoransaugtrakt 12 beginnt an einem geeigneten Einlasskanal 32, der sich zu dem Einlass des Turboladers 28 erstreckt. Der Auslass des Turboladerkompressors 28 ist mit einem geeigneten Kanal 34 verbunden, der zu einem Ladeluftkühler (LLK) 36 führt. Von dort weist der Ansaugtrakt 12 eine Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 auf, die mit einem Kanal 40 verbunden ist, der zu einem Ansaugkrümmer 42 führt. Der Ansaugkrümmer 42 versorgt einzelne Zylinder in dem Verbrennungsmotor 10 mit Verbrennungsluft.
Der Verbrennungsmotor 10 kann ein AGR-System 44 aufweisen, das in 1 innerhalb gestrichelter Linien dargestellt ist. Wie hier dargestellt ist, ist das AGR-System 44 vom Niederdrucktyp, der einen Anteil des Abgasstroms der Turbine 26 nachgelagert abzieht und diesen zum Einlasskanal 32 vor dem Eintritt in den Turboladerkompressor 28 leitet. Fachkundige sollten allerdings erkennen können, dass das AGR-System 44 auch ein Hochdrucksystem sein kann, wobei das Abgas der Turboladerturbine 26 vorgelagert aus dem Kanal 24 abgezogen wird. Das AGR-System weist einen Kanal 46 auf, der mit dem Kanal 30 der Turbine 26 nachgelagert verbunden ist und zu einem AGR-Kühler 48 führt. Der AGR-Kühler 48 erhöht die Dichte der Abgase und steht optional zur Verwendung in dem AGR-System 44 zur Verfügung. Der Strom durch das AGR-System 44 wird durch ein Ventil 50 geregelt, das an einer Zwischenposition in der Leitung 52 angeordnet ist, die von dem AGR-Kühler 48 zu einem Ladeluftmischer 54 führt, der den AGR-Strom aus der Leitung 52 mit der Umgebungsluft mischt, welche durch den Kompressoreinlasskanal 32 tritt.
Das Fluid aus dem Kompressor 28 tritt durch den Kanal 34 zu dem Ladeluftkühler 36, um seine Dichte zu erhöhen. Ein Ventil, das hier als Drei-Weg-Ventil 56 dargestellt ist, ist in der Leitung 34 an einer Zwischenposition dem LLK 36 vorgelagert angeordnet. An dem Ventil 56 ist ein Umleitungsdurchgang 58 angeschlossen, um den Strom am LLK 36 vorbei und zu der Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 zu führen.
Die Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 weist einen Flüssigkeitsabscheider 60 auf, der seriell mit dem Ausgang des LLK 36 an einer Zwischenposition angeordnet ist. Der Flüssigkeitsabscheider 60 kann einer von einer Vielzahl möglicher Typen sein, die Flüssigkeitströpfchen zur Abgabe durch einen Ableitungskanal 62 zu einem Sammelbehälter 64 und schließlich durch einen Kanal 66 über ein Rückschlagventil 68 zu dem Motorauspuff 14, der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 vorgelagert und der Turboladerturbine 26 nachgelagert, fördern und auffangen. Wenngleich der Kanal 62 in der schematischen Darstellung aus 1 als sich vom oberen Ende des Flüssigkeitsabscheiders 60 wegerstreckend dargestellt ist, würde der Kanal in der Praxis angeordnet werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit durch die Schwerkraft von dem Abscheider 60 wegströmt. Der Strom des Fluids aus dem Umleitungsdurchgang 58, d.h. der Umleitungsstrom, verläuft zu einem Ladeluftmischer 70, der dem Flüssigkeitsabscheider 60 nachgelagert angeordnet und mit dem Einlasskanal 40 verbunden ist. Der Ladeluftmischer 70 weist einen ringförmigen Durchgang 72 auf, der zwischen dem Äußeren des Ladeluftmischers 70 und dem Hauptfluidstromkanal 74, der zu dem Einlasskanal 40 führt, ausgebildet ist. Wie aus 1 hervorgeht, verläuft der Strom des Fluids aus dem Umleitungsdurchgang 58 in einer Gegenstrom-Wärmetausch-Beziehung zu dem Strom durch den Kanal 74 und vermischt sich dann über Durchgänge 76 mit dem Strom in dem Kanal 74.
Wie hier dargestellt ist, weist der Ansaugtrakt 12 eine Anordnung auf, bei der der Umleitungsstrom in eine Wärmetauschbeziehung mit dem Fluid gelangt, das durch den Kanal 74 strömt, und dann in einer Gegenstromanordnung durch die Durchgänge 76 geleitet wird, um sich mit dem Hauptfluidstrom zu vermischen. Der Nutzen einer derartigen Beziehung ist, dass die Wand des Kanals 74 derart erwärmt wird, dass die Wandtemperatur ausreichend erhöht wird, um Kondensation zu verhindern, insbesondere dann, wenn die Bedingungen des Fluids nahe dem Taupunkt liegen. Durch Erwärmen der Kanalwand nahe dem Ausgang des LLK 36 hat das Erwärmen die maximale Wirkung. Das nachfolgende Mischen der Ströme trägt ebenfalls dazu bei, Taupunktbedingungen zu verhindern. Fachkundige sollten erkennen können, dass andere Formen von Wärmetauschbeziehung und Mischen mit ähnlichen Resultaten angewandt werden können. Ferner sind der Flüssigkeitsabscheider 60 und der Ladeluftmischer 70 als gemeinsame Einheit dargestellt.
Die Regelung des Umleitungsstroms wird derart gewählt, dass an dem Ausgang der Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 eine Temperatur erreicht wird, die über dem Taupunkt des Fluids, welches dort hindurchströmt, liegt, damit Kondensation und Tröpfchen nicht in den Motoransaugtrakt 12 eintreten und dadurch nachteilige Wirkungen auf die Komponenten und die Leistung des Motors 10 entfalten. Diese Regelung ist von einer Anzahl von Variablen wie den Umgebungsbedingungen und den Motorbetriebsbedingungen abhängig. Für gewöhnlich wird der Motor 10 durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 78 gesteuert. Über eine oder mehrere Signalleitungen 80 empfängt die ECU 78 mehrere Signaleingänge von dem Motor 10. Darüber hinaus empfängt die ECU 78 Eingänge von der Signalleitung 82 zu dem Kompressorausgangskanal 34, der Signalleitung 84 an dem Ausgang des AGR-Ventils 50, der Signalleitung 86 an dem Einlass 32 zu dem Motoransaugtrakt 12, der Signalleitung 88 zu dem Ausgang des LLK 36 und letztlich der der Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 nachgelagerten Signalleitung 90. Neben den Signalleitungen, die zu der ECU 78 verlaufen, sind Befehlssignaleingänge, die über Leitungen 80 zu dem Motor 10 geführt werden, und ein Befehlssignal über Leitung 92, um das AGR-Ventil 50 zu steuern, und eine Befehlssignalleitung 94, um das Drei-Weg-Ventil 56 zu steuern, vorgesehen.
Die verschiedenen Sensoren stellen Signale bereit, die Bedingungen widerspiegeln, welche den Trend anzeigen, dass Fluid unter seinen Taupunkt fällt und es somit zur Kondensation von Tröpfchen in dem Motoransaugtrakt 12 kommt. Der Umleitungsstrom durch den Umleitungsdurchgang 58 wird erhöht, um die Temperatur des Fluids, das aus der Flüssigkeitsabscheider- und Ladeluftmischvorrichtung 38 austritt, auf ein Niveau zu bringen, das über dem Taupunkt des Fluids liegt. Das Drei-Weg-Ventil 56 ermöglicht mehrere Durchströmungsarten, unter anderem: keine Umleitung, teilweise Umleitung und volle Umleitung, in Abhängigkeit von einer Anzahl von Bedingungen. Diese Bedingungen sind Motordrehzahl, Last, Motoransaugtrakttemperatur, Ansaugtraktdruck und Kühlmitteltemperatur. Darüber hinaus werden die Umgebungsbedingungen, beispielsweise Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchtigkeit, welche über die Signalleitung 86 gemeldet werden, herangezogen, um den Ventilstrom zu regeln. Der Signaleingang der AGR-Strommenge wird in die Steuerlogik einbezogen, um die Modulation vorzusehen, die erforderlich ist, um Kondensation infolge des Absinkens des Fluids unter seinen zu diesem Zeitpunkt aktuellen Taupunkt zu vermeiden.
Im Betrieb kann das Ventil 56 gesteuert werden, um einen vollständigen Umleitungsstrom während eines Kaltstarts vorzusehen, um dadurch für maximale Temperatur in dem Kanal 40, der zum Ansaugkrümmer 42 führt, zu sorgen. Im Normalbetrieb wird das Ventil 56 den Umleitungsstrom variieren, um die gewünschte Temperatur und die gewünschten Druckwerte zu erzielen, um die Bedingung zu vermeiden, in welcher die Temperatur des Fluids in dem Motoransaugtrakt 12 unter dessen Taupunkt absinkt. Durch Vorsehen des Flüssigkeitsabscheiders 60 unmittelbar dem Ladeluftkühler 36 nachgelagert können erhebliche vorhandene Tröpfchen aus dem System abgeschieden werden, und das nachgelagerte Erwärmen und Mischen gewährleistet ferner, dass es zu keiner Kondensation kommt.

Claims

System zum Regeln der Kondensation im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit einem Ladeluftkühler (36), wobei das System einen Umleitungsdurchgang (58) für Luft am Ladeluftkühler (36) vorbei, ein Ventil (56) zum Regeln der Luft durch den Umleitungsdurchgang (58) und einen Ladeluftmischer (70) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensatabscheider (60) seriell in dem Motoransaugtrakt (12) dem Ladeluftkühler (36) zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Motoransaugtrakt-Fluidstrom nachgelagert ist, wobei dem Ladeluftmischer (70) dem Kondensatabscheider (60) nachgelagert Fluid aus dem Umleitungsdurchgang (58) zugeführt wird, um mindestens Fluid aus dem Umleitungsdurchgang (58) mit dem Motoransaugtrakt (12) zu mischen, um die Temperatur in dem Motoransaugtrakt (12) über den Taupunkt des dort hindurchströmenden Fluids anzuheben, wobei Kondensatabscheider (60) und Ladeluftmischer (70) eine einzige Einheit sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftmischer (70) einen ringförmigen Durchgang (72) aufweist, der zwischen dem Äußeren des Ladeluftmischers (70) und einem den Motoransaugtrakt-Fluidstrom führenden Hauptfluidstromkanal (74) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid aus dem Umleitungsdurchgang (58) in dem ringförmigen Durchgang (72) in einer Gegenstrom-Wärmetausch-Beziehung zu dem Motoransaugtrakt-Fluidstrom verläuft und sich dann über Durchgänge (76) mit dem Motoransaugtrakt-Fluidstrom in dem Hauptfluidstromkanal (74) vermischt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (56) zum Regeln von Fluid durch den Umleitungsdurchgang (58) durch eine elektronische Steuereinheit (78) gesteuert wird.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Fluids durch den Umleitungsdurchgang (58) eine Funktion von mindestens einem aus der Gruppe umfassend Motordrehzahl, Last, Ansaugtrakttemperatur, Ansaugtraktdruck und Kühlmitteltemperatur ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Fluids durch den Umleitungsdurchgang (58) eine Funktion von mindestens einem aus der Gruppe umfassend Umgebungsdruck, -temperatur und -feuchtigkeit ist.