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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 199 585 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, der eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst. Die Abgasturbine wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung der Turbine auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Zur Verbesserung des Abgasverhaltens ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem ausgestattet, das auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers angeordnet ist und eine Rückführleitung aufweist, welche stromab der Abgasturbine vom Abgasstrang verzweigt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt mündet. In der Rückführleitung ist ein Zyklonabscheider angeordnet, in welchem der Wasseranteil, welcher im Abgas enthalten ist, abgeschieden wird, wobei das entstehende Kondensat wieder in den Abgasstrang eingeleitet wird.
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Aus der
DE 10 2006 023 589 A1 ist ein Abgasrückführsystem bekannt, wobei das zurückgeführte Abgas vor der Zuführung zu einem Verdichter einen Partikelfilter und einen Abscheider durchläuft. In dem Abscheider werden die im Abgas noch vorhandenen Partikel abgeschieden, sodass nahezu partikelfreies Abgas der Brennkrafmaschine mit der Frischluft als Verbrennungsluft zugeführt wird.
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In der
DE 10 2008 005 400 A1 ist eine Wärmeübertragerventileinrichtung zum Regeln eines Fluidstroms beschrieben, wobei das Ventilgehäuse einen Wärmeübertragerausgang aufweist, über welchen einem Wärmeübertrager ein von der Ventilstellung abhängiger Fluidstrom zugeführt wird. Das Ventilgehäuse weist einen zweiten Ausgang auf, durch den in Abhängigkeit der Stellung eines Stellglieds ein mehr oder weniger großer Fluidstrom an dem Wärmeübertrager vorbeigeleitet wird.
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Die
DE 10 2005 023 958 A1 offenbart eine Turboladeranordnung mit Abgasrückführung, wobei die Anordnung einen Abgaskühler und einen Ladeluftkühler zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft und einen Verdichter zur Verdichtung der Ladeluft, sowie mindestens einen Kondensatabscheider und mindestens eine thermische Kondensatentsorgung aufweist.
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Aus der
WO 01/07774 A1 ist ein Dieselmotor mit einem Abgasrückführungssystem bekannt, umfassend eine Vielzahl von Zylindern mit Treibstoffeinspritzvorrichtung für jeden der Zylinder und einem Einlassverteiler zum Verteilen von Ansaugluft zu jedem der Zylinder. Das Abgas wird über eine Abgasleitung mit einer Gasturbine in die Umgebung geleitet. Die Gasturbine treibt einen Einlassverdichter an, um die Einlassluft zu komprimieren.
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Die
US 2009/0241515A1 zeigt ein Abgasrückführungssystem, angeordnet zwischen einem Abgassystem und einem Einlaßsystem, das einen Wasserabscheider enthält, der Wasser aus dem Abgas abscheidet, wobei das durch den Wasserabscheider gesammelte Wasser zurück zum Abgassystem an eine Stelle stromabwärts von dem Abgasrückführsystem geleitet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen den Wasserabscheidegrad in einem Abgasrückführungssystem, das auf der Niederdruckseite angeordnet ist, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Abgasrückführungssystem kann für Brennkraftmaschinen – Dieselmotoren oder Ottomotoren – eingesetzt werden, welche mit einem Abgasturbolader ausgestattet sind, der eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst. Die Abgasturbine wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung der Abgasturbine über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Das Abgasrückführungssystem befindet sich auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers und umfasst eine Rückführleitung, die stromab der Abgasturbine vom Abgasstrang verzweigt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündet. In der Rückführleitung ist eine Wasserabscheideeinheit angeordnet, von der eine Kondensatleitung verzweigt, welche in den Abgasstrang mündet. Des Weiteren befindet sich in der Rückführleitung stromauf der Wasserabscheideeinheit ein Abgaskühler, über den die rückgeführten Abgase vor der Einleitung in den Ansaugtrakt auf eine niedrigere Temperatur gebracht werden.
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Der Abgaskühler wird von einer Bypassleitung überbrückt, der ein einstellbares Bypassventil zugeordnet ist. Diese Ausführung erlaubt es, in bestimmten Betriebssituationen den Abgaskühler über die Bypassleitung zu überbrücken, so dass keine Kühlung des rückgeführten Abgases stattfindet und stattdessen heißes Abgas die Wasserabscheideeinheit durchströmt, in welchem aufgrund des höheren Temperaturniveaus des Abgases ein größerer Anteil des Kondensats in den gasförmigen Zustand überführt wird als dies bei gekühltem Abgas der Fall ist. Damit ist es möglich, gezielte Situationen herbeizuführen, in denen das Kondensat bzw. ein Teil des Kondensats in der Wasserabscheideeinheit verdampft, wobei das verdampfte Wasser entweder über die Kondensatleitung in den Abgasstrang geleitet oder in die Umgebung entlassen wird. Soweit das Kondensat nicht in flüssiger Form über die Kondensatleitung abgeführt wird, ist auf diese Weise eine vollständige oder zumindest weitgehende Entleerung der Wasserabscheideeinheit möglich. Gegebenenfalls kann das in den gasfömigen Zustand überführte Kondensat auch gemeinsam mit dem Abgas in den Ansaugtrakt geführt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Abgasrückführungssystems steht die Möglichkeit zur Verfügung, die Wasserabscheideeinheit, gegebenenfalls auch einen Kondensatsammelbehälter, welcher in der Kondensatleitung angeordnet ist, zu spülen, indem Kondensat verdampft und in der Regel über den Abgasstrang entsorgt wird. Über die Bypassleitung kann der Abgaskühler überbrückt werden, so dass eine höhere Abgastemperatur für den Spülvorgang zur Verfügung steht und die Verdampfungsrate erhöht ist.
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Ungeachtet der Möglichkeit, Kondensat zu Spülzwecken zu verdampfen, hat die Wasserabscheideeinheit, welche in der Rückführleitung angeordnet ist, die Aufgabe, durch Abscheidung den Wassergehalt im rückgeführten Abgasstrom zu reduzieren. In der Wasserabscheideeinheit findet eine Abscheidung von Wasser aus dem Abgas statt, welches aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt rückgeführt wird. Das abgeschiedene Wasser kann über die Kondensatleitung in den Abgasstrang geleitet werden. Zweckmäßigerweise befindet sich in der Kondensatleitung ein Kondensatsammelbehälter, in welchem das in der Wasserabscheideeinheit abgeschiedene Kondensat gesammelt wird. Aus dem Kondensatsammelbehälter kann das Kondensat in den Abgasstrang geleitet werden, beispielsweise bei Erreichen eines definierten Füllstandes im Kondensatsammelbehälter oder in regelmäßigen Abständen.
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Um die Ableitung des Kondensats in den Abgasstrang steuern zu können, befindet sich in der Kondensatleitung zweckmäßigerweise ein einstellbares Ablassventil. Im geschlossenen Zustand des Ablassventils ist die Kondensatleitung geschlossen, so dass kein Kondensat abgeleitet werden kann. Eine Ableitung ist nur im geöffneten Zustand des Ablassventils möglich.
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Zweckmäßigerweise mündet die Kondensatleitung stromab einer Filtereinrichtung, welche im Abgasstrang angeordnet ist, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter, in den Abgasstrang. Die Rückführleitung verzweigt vorteilhafterweise stromab der Filtereinrichtung, jedoch stromauf der Einmündung der Kondensatleitung in den Abgasstrang. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass gegebenenfalls von der Filtereinrichtung gelöste Partikel wie zum Beispiel Keramikpartikel über die Rückführleitung in die Wasserabscheideeinheit gelangen, in der die Partikel abgeschieden werden, wobei über die Kondensatleitung die Partikel wieder in den Abgasstrang gelangen und in die Umgebung abgeleitet werden können. Eine Einleitung der Partikel in den Ansaugtrakt und eine eventuelle Beschädigung der Verdichterradschaufeln durch die Partikel wird vermieden.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung mündet die Kondensatleitung stromab eines einstellbaren Abgasventils in den Abgasstrang. Das Abgasventil befindet sich im Abgasstrang und ermöglicht durch Verstellen in die Schließposition einen Anstieg des Abgasgegendrucks, so dass ein höheres Druckgefälle zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt zur Verfügung steht, welches die Einleitung von Abgas in die Rückführleitung unterstützt. Gemeinsam mit einem Rückführventil, welches in der Rückführleitung angeordnet ist und zweckmäßigerweise stromab der Wasserabscheideeinheit angeordnet ist, stehen somit mehrere Ventile zur Steuerung der Abgasrückführung sowie der Abscheidung und des Spülvorgangs zur Verfügung.
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Im Abgasrückführmodus ist zweckmäßigerweise sowohl das Bypassventil als auch das Ablassventil in der Kondensatleitung in Schließposition gestellt, so dass zum einen das Abgas über den Abgaskühler in die Rückführleitung geführt wird und zum andern ein Kondensataustrag in den Abgasstrang hinein unterbunden ist. In diesem Betriebszustand findet in der Wasserabscheideeinheit die Wasserabscheidung statt, das Kondensat kann anschließend im Kondensatsammelbehälter, welcher in der Kondensatleitung angeordnet ist, gesammelt werden. Das Rückführventil in der Rückführleitung steht in Öffnungsposition, um die Einleitung des Abgases in den Ansaugtrakt zu erlauben. Das Abgasventil, welches sich im Abgasstrang stromab der Verzweigung der Rückführleitung befindet, kann optional in Schließposition bzw. in eine Teilschließposition verstellt werden, um den Abgasgegendruck zu erhöhen und dadurch die Rückführrate zu verbessern.
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Wenn über die Rückführleitung auf der Niederdruckseite keine Abgasrückführung durchgeführt wird, kann das gesammelte Kondensat ausgetragen werden. In dieser Betriebsphase wird zweckmäßigerweise das Rückführventil stromab der Wasserabscheideeinheit geschlossen und das Ablassventil in der Kondensatleitung geöffnet, so dass Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter in den Abgasstrang strömen kann. Das Abgasventil, welches sich im Abgasstrang stromab der Verzweigung der Rückführleitung befindet, kann optional zur Erhöhung des Abgasgegendrucks in eine Schließ- oder Teilschließposition verstellt werden. Das Bypassventil in der Bypassleitung, welches den Abgaskühler überbrückt, kann optional in die Öffnungsposition verstellt werden, so dass der Abgaskühler zumindest weitgehend umgangen wird. In Abhängigkeit der Stellung des Abgasventils im Abgasstrang und des Bypassventils in der Bypassleitung kann ein Spülvorgang zum Spülen der Wasserabscheideeinheit bzw. des Kondensatsammelbehälters beeinflusst werden. Zum Spülen steht das Rückführventil stromab der Wasserabscheideeinheit ebenfalls in Schließposition, das Ablassventil in der Kondensatleitung ist dagegen geöffnet. Unter Umgehung des Abgaskühlers kann ein höheres thermisches Niveau im rückgeführten Abgas eingestellt werden, wodurch die Verdunstungsrate erhöht und der Spülvorgang verbessert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der schematisch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem dargestellt ist.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Der in der Figur dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird über einen Ansaugtrakt 2 Verbrennungsluft zugeführt, die Abgase der Brennkraftmaschine werden über einen Abgasstrang 3 abgeleitet. Die Brennkraftmaschine ist mit einem Abgasturbolader 4 versehen, der eine Abgasturbine 5 im Abgasstrang 3 sowie einen Verdichter 6 im Ansaugtrakt 2 aufweist. Die Abgasturbine 5 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Abgasturbine 5 ist über eine Welle 7 mit dem Verdichter 6 gekoppelt und treibt diesen an, woraufhin der Verdichter 6 Umgebungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die angesaugte Verbrennungsluft wird im Ansaugtrakt 2 zunächst in einem Motorluftfilter 8 gereinigt. Stromab des Luftfilters 8 befindet sich ein Luftmassenmesser 9 zum Messen des Luftstromes. Auf den Luftmassenmesser 9 folgt im Ansaugtrakt 2 der Verdichter 6, dem eine Drosselklappe 10 nachgeschaltet ist, über die der Luftstrom reguliert werden kann.
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Im Abgasstrang 3 befindet sich stromab der Abgasturbine 5 eine Filtereinrichtung 11, insbesondere ein Partikelfilter, sowie im weiteren Verlauf ein einstellbares Abgasventil 12.
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Die Brennkraftmaschine ist auf der Hochdruckseite des Abgasturboladers 4 mit einem ersten Abgasrückführungssystem versehen, das eine Rückführleitung 13 und einen Abgaskühler 14 umfasst. Die Rückführleitung 13 verzweigt stromauf der Abgasturbine 5 vom Abgasstrang 3 und mündet stromab der Drosselklappe 10 in den Ansaugtrakt 2.
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Auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers 4 ist die Brennkraftmaschine mit einem weiteren Abgasrückführungssystem ausgestattet, das eine Rückführleitung 15 aufweist, die stromab des Partikelfilters 11 vom Abgasstrang 3 verzweigt und zwischen dem Luftmassenmesser 9 und dem Verdichter 6 in den Ansaugtrakt 2 einmündet. In der Rückführleitung 15 befinden sich ein Abgaskühler 16, eine Wasserabscheideeinheit 17 sowie ein einstellbares Rückführventil 18 zur Regulierung des rückgeführten Abgasmassenstroms. Die Wasserabscheideeinheit 17 ist über eine Kondensatleitung 19, in der sich ein Kondensatsammelbehälter 20 sowie ein dem Kondensatsammelbehälter 20 nachgeschaltetes Ablassventil 21 befindet, mit dem Ansaugtrakt 3 verbunden; die Kondensatleitung 19 mündet stromab des einstellbaren Abgasventils 12 in den Ansaugtrakt. Des Weiteren ist das Abgasrückführungssystem auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers 4 mit einer Bypassleitung 22 mit einem darin angeordneten Bypassventil 23 versehen. Die Bypassleitung 22 überbrückt den Abgaskühler 16 in der Rückführleitung 15, die Bypassleitung 22 verzweigt stromab des Partikelfilters 11 und stromauf der Rückführleitung 15 vom Abgasstrang 3 und mündet stromab des Abgaskühlers 16 in die Rückführleitung 15.
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Um die Abgasrückführung auf der Niederdruckseite durchzuführen, wird das Rückführventil 18 geöffnet, zugleich kann das Abgasventil 12 im Abgasstrang 3 geschlossen oder teilweise geschlossen werden, um den Abgasgegendruck und damit das Druckgefälle zwischen Abgasstrang 3 und Ansaugtrakt 2 zu erhöhen und die Abgasrückführung zu verbessern. Das in die Rückführleitung 15 eingeleitete Abgas durchströmt die Wasserabscheideeinheit 17, in der eine Wasserabscheidung stattfindet. Das abgeschiedene Kondensat läuft über die Kondensatleitung 19 in den Kondensatsammelbehälter 20 und kann dort gesammelt werden. Bei Bedarf bzw. in regelmäßigen Abständen wird das Ablassventil 21 in der Kondensatleitung 19 geöffnet, so dass das Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter 20 in den Abgasstrang 3 stromab des Abgasventils 12 eingeleitet wird.
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Um die Wasserabscheideeinheit 17 sowie den Kondensatsammelbehälter 20 zu spülen, wird zweckmäßigerweise das Rückführventil 18 geschlossen, so dass die Abgasrückführung in den Ansaugtrakt unterbunden ist. Das Abgas strömt durch die Wasserabscheideeinheit 17 sowie über die Kondensatleitung 19 durch den Kondensatsammelbehälter 20, wobei in dieser Betriebsweise das Ablassventil 21 vorteilhafterweise geöffnet ist. Aufgrund der hohen Temperatur des Abgases verdampft verbliebenes Wasser in der Wasserabscheideeinheit 17 sowie dem Kondensatsammelbehälter 20 zumindest teilweise. Auch in dieser Betriebsweise ist es vorteilhaft, dass das Abgasventil 12 im Abgasstrang 3 zur Erhöhung des Abgasgegendrucks in der Schließstellung oder in einer Teilschließstellung steht.
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Zum Spülen der Wasserabscheideeinheit 17 und des Kondensatsammelbehälters 20 genügt es zwar grundsätzlich, dass das Abgas über den Abgaskühler 16 geleitet wird. Um jedoch den Spülgrad zu verbessern ist es zweckmäßig, dass das Abgas unter Umgehung des Abgaskühlers 16 über die Bypassleitung 22 geführt wird, in der zu diesem Zweck das Bypassventil 23 in die Öffnungsstellung versetzt wird. Auf diese Weise wird das heiße Abgas aus dem Abgasstrang 3 unter Umgehung des Abgaskühlers 16 unmittelbar zur Wasserabscheideeinheit 17 sowie zum Kondensatsammelbehälter 20 geleitet, wobei aufgrund der höheren Temperatur des Abgases eine verbesserte Spülwirkung erzielt wird.