DE19541362C1

DE19541362C1 - Abgasrückführung bei Dieselmotoren

Info

Publication number: DE19541362C1
Application number: DE19541362A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Baechle; Dieter Dipl Ing Schoenfeld
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1995-11-07
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2015-11-08

Description

Die Erfindung betrifft eine externe Abgasrückführung bei einem mehrzylindrigen Dieselmotor mit Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Abgasrückführung dieser Art ist durch die EP 0 596 855 A1 bekannt. Dort wird ein Teil der Verbrennungsabgase über eine Rückführleitung von der Abgasleitung des Motors zu dessen Ansaugseite zurückgeführt. Weil der Einsatz einer Abgasrückführung primär auf die Minderung der NO_x-Emission durch Verringerung der Verbrennungstemperatur abzielt, ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der durch zusätzliches Kühlen des rückgeführten Abgasstroms die NO_x-Reduktion verbessert. Neben den Stickoxiden enthält der Abgasstrom von Dieselmotoren unter bestimmten Betriebsbedingungen zusätzlich eine hohe Konzentration an Rußpartikeln, die in Folge unvollständigen Verbrennens des Kraftstoffs entstehen und zu Beschädigungen des Zylinderraumes führen. Eine vom rückgeführten Abgasstrom durchströmte Abgaseinrichtung schafft hier Abhilfe.

Hierzu ist es beispielsweise bekannt, in der Abgasrückführleitung ein Partikelfilter anzuordnen. Allerdings besteht bei einem solchen Partikelfilter die Gefahr, daß es sich durch im rückgeführten Abgasstrom mitgeführten Verunreinigungen zusetzt und verstopft. Dadurch wäre die Abgasrückführung blockiert. Aus diesem Grund müssen reaktivierbare bzw. regenerierbare Filter verwendet werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Doch auch beim Einsatz regenerierbarer Filter können sich in der Rückführleitung Gegendrücke aufbauen, die sich negativ auf den Motorbetrieb auswirken.

Besonders bei aufgeladenen Dieselmotoren wirken sich durch ein Rußfilter bedingte Strömungswiderstandsänderungen nachteilig aus. Bei diesen Motoren liegen bereits aufgrund der Turboladercharakteristik in Betriebspunkten nahe dem Drehmomentmaximum des Motors die mittleren Drücke auf der Einlaßseite deutlich über denen in der Abgassammelleitung vor der Abgasturbine. Wegen dieser Druckunterschiede ist es nicht möglich, den Abgasrückführmengenstrom über den gesamten Betriebsbereich des Motors zu regeln. Zur Überwindung dieser in diesen Lastbereichen ungünstigen Druckverhältnisse für eine NO_x-Verringerung wird in der DE 43 19 380 A1 vorgeschlagen, in der Ladeluftleitung eine Düse-Diffusoreinheit vorzusehen, bei der der Abgasstrom über eine Venturi-Düse der einströmenden Ladeluft zugeführt wird. Da jedoch die Druckabsenkung unter anderem auch vom Massendurchsatz durch das System abhängt, ist zusätzlich ein Steuerventil zur Regelung der Abgasrückführmenge erforderlich. Dadurch wird die Abgasrückführung aufwendig. Eine Partikelabsonderung aus dem rückgeführten Abgasteilvolumen findet nicht statt. Als nachteilige Folge hiervon verschmutzen im rückgeführten Abgas enthaltene Rußpartikel den Abgaskühler und die Düse-Diffusoreinheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasrückführung derart weiterzubilden, daß eine weitgehend partikelfreie Rückführung von Abgas über den gesamten Betriebsbereich eines Dieselmotors mit einfachen Mitteln kostengünstig und zuverlässig möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie zweckmäßige Anordnungen zur Durchführung der Abgasrückführung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird das Abgas aus dem umkapselten Zwischenraum zwischen der als Staurohr ausgebildeten Heißgasleitung und dem gasdichten äußeren Gehäuse der Abgassammelleitung entnommen und rückgeleitet. Somit wird das Abgas aus einer Zone mit sehr geringen Gasgeschwindigkeiten entnommen, in der aufgrund der konstruktiv in der Abgassammelleitung vorgesehenen Abgasströmungsführung der Partikelanteil sehr gering ist. Gleichwohl befindet sich das entnommene Abgas auf dem jeweils in der Abgassammelleitung herrschenden Staudruckniveau und kann ohne zusätzlichen Verdichtungsaufwand rückgeleitet werden. Da der Brennraum auslaßseitig strömungsmechanisch mit der Heißgasleitung verbunden ist, wird der heiße Abgasstrom und die in diesem enthaltenen und mit ihm transportierten Rußpartikel an dem Zwischenraum vorbei in die Heißgasleitung geleitet. Die Heißgasleitung und der Zwischenraum sind nicht gegenseitig abgedichtet, so daß sich in diesem Zwischenraum und in der Heißgasleitung annähernd die gleichen Staudruckverhältnisse einstellen. Wesentlich ist, daß nahezu die gesamten Rußpartikel mit in die Heißgasleitung getragen werden und aufgrund der dargestellten Strömungsverhältnisse nicht in den Zwischenraum zwischen der Heißgasleitung und dem äußeren Gehäuse gelangen.

Die konstruktive Ausbildung von gekapselten Abgassammelleitungen wird also erfindungsgemäß eingesetzt, um druckbeaufschlagtes Abgas ohne störende Konzentration an Rußpartikeln abzuzweigen. Damit wird der Vorteil erreicht, daß ohne zusätzliche Reinigung bzw. Filtrierung nahezu partikelfreies Abgas rückgeführt werden kann.

Das Druckgefälle zwischen dem in der Abgassammelleitung vorherrschenden Druck und den Druckverhältnissen an der Stelle der Einleitung des rückgeführten Abgasstroms in die Ladeluft ist in bekannter Weise die treibende Kraft der Abgasrezirkulationsströmung. Das partikelfreie Abgas folgt dem Druckgefälle in der Rückführleitung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abgasstrom mit Hilfe einer Ventil-Einrichtung, die an einer Bohrung am Zylinder angeordnet ist geregelt in den Brennraum rückgeführt. Insbesondere wird der Abgasstrom dabei nicht in die sich auf Ladeluftdruckniveau befindliche Frischluft eingeleitet, sondern unmittelbar in den Brennraum. Dadurch werden ungünstige Gegendruckverhältnisse, wie sie beispielsweise bei Lastabwurf auftreten können, von vorneherein eliminiert.

Das Einleiten von rückgeführtem Abgas in den Brennraum zeitlich auf den Bereich der Kolbenabwärtsbewegung ausgeregelt. Dazu wird das Abgasventil mittels geeigneter Regeleinrichtung derart betätigt, daß es während des Ansaugtaktes zum Zeitpunkt, wenn der Kolben seine maximale Abwärtsgeschwindigkeit hat, voll geöffnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist unter sämtlichen Betriebsbedingungen des Motors der Zylinderinnendruck kleiner als der Abgasdruck in der Abgassammelleitung.

Besonders bei einer zylinderindividuellen Abgasrückführung und der dazu für jeden Zylinder vorgesehenen separaten Rückführleitung, kann diese gegenüber herkömmlichen Rückführleitungen bedeutend kleiner dimensioniert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Volumen der Rückführleitung speziell auf das Maß der maximal in den Zylinder zurückzuführenden Abgasmenge reduziert. Dadurch verringert sich die Verschiebeleistung, die bei geöffnetem Abgasventil zur Einbringung des Abgases in den Brennraum erforderlich ist. Die vorgenommene Bemessung des Rückführleitungsvolumens ist ferner, bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, gleichzeitig Teil einer einfachen und effizienten Abgaskühlung. Durch die vorgenommene Volumendimensionierung muß lediglich das während eines Arbeitsspiels in den Brennraum zurückzuführende geringe Abgasteilvolumen abgekühlt werden. Hierbei reichen bereits einfache Mittel, wie Obenflächenvergrößerung der Rückführleitung in Form von Kühlrippen aus. Für den Wärmeabtransport steht der Zeitraum zwischen zwei Arbeitsspielen zur Verfügung. Diese Zeitdauer ist ausreichend, da bedingt durch die zylinderindividuelle Abgasrückführung einerseits die Abgasteilmenge grundsätzlich relativ klein ist und andererseits praktisch nicht ständig die maximal zurückzuführende Abgasteilmenge, sondern wiederum nur die tatsächlich pro Arbeitsspiel in den Zylinder rückgeführte Abgasmenge gekühlt werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Dabei zeigt die schematische Darstellung exemplarisch einen Zylinder 3 eines nicht näher dargestellten mehrzylinderigen Dieselmotors und eine gekapselte Abgassammelleitung 2, die beide über eine Rückführleitung 1 vorrichtungsmäßig miteinander verbunden sind. Die abgasleitende Verbindung zwischen Abgassammelleitung 2 und dem Zylinder 3 bzw. dem Brennraum 4 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer separaten Einrichtung 7, 13 regelbar. Dazu wird ein Ventil 14 mittels eines Aktors 15 der Einrichtung 13 entsprechend der gewünschten Regelzustände von einer Regeleinheit 7, über eine Ansteuerleitung 10 betätigt. Die Regeleinheit 7 ist zur Erfassung der Eingangsgrößen über eine Winkelsignalleitung 8 mit einem Kurbelwinkel-Lagesensor 16 und über eine Staudrucksignalleitung 9 mit einem Staudruckaufnehmer 17 verbunden.

Die Abgassammelleitung 2 ist als Heißgasleitung 11 mit einem doppelwandigen, wassergekühlten äußeren Gehäuse 12 dargestellt. Zwischen der als Staurohr dienenden Heißgasleitung 11 und dem vollumfänglich vorgesehenen äußeren Gehäuse 12 ist ein Zwischenraum 18 ausgebildet, der wärmeisolierend wirkt. Je nach Motortyp können auch zwei oder mehrere abgasführende Heißgasleitungen 11 gemeinsam innerhalb eines äußeren Gehäuses 12 angeordnet sein. Bei all diesen möglichen Ausführungsformen, bei denen abgasführende Bauteile innerhalb einer wassergekühlten Ummantelung, dem äußeren Gehäuse 12, angeordnet sind, hält die Abgassammelleitung 2 Energieverluste durch Wärmeabstrahlungen und Konfektion der heißen Abgase sowie die Außenwandtemperatur der Abgassammelleitung 2 sehr niedrig. Das äußere Gehäuse 12 ist abgasdicht ausgeführt und an den Zylinderkopf 6 angebaut. Anschlußrohre (nicht dargestellt) leiten das Abgas jeweils von den Zylinderauslässen des Zylinderkopfs 6 in die Heißgasleitung 11. Dazu sind die Anschlußrohre und die Heißgasleitung 11 aus ineinandergesteckten Rohrstücken zusammengesetzt.

Zur Abzweigung des Abgases aus dem Zwischenraum 18 ist in dem äußeren Gehäuse 12 jeweils im Bereich des zugeordneten Zylinders 3 eine Entnahmebohrung 19 ausgebildet. An diese Öffnung ist am Außenumfang des äußeren Gehäuses 12 die Rückführleitung angeflanscht. Die Rückführleitung 1 steht somit ständig in leitender Verbindung mit dem Zwischenraum 18. Das Volumen der Rückführleitung im Bereich zwischen der Anflanschstelle an der Abgassammelleitung 2 und dem Ventil 14 entspricht dem maximal in einen Zylinder zurückzuführenden Abgasvolumen. Zur Kühlung dieses Abgasteilvolumens kann die Rückführleitung 1 ebenso wie die Abgassammelleitung 2 innerhalb eines wassergekühlten Gehäuses (nicht dargestellt) angeordnet sein. Aufgrund des geringen Abgasteilvolumens in der Rückführleitung 1, der Abgasentnahme aus unmittelbarer Nähe zum wassergekühlten Gehäuse und der relativ großen Leitungsoberfläche ist es allerdings bereits ausreichend, wenn eine Oberflächenvergrößerung in Form von Kühlrippen 20 vorgesehen ist.

Zylinderseitig ist die Rückführleitung 1 leitend mit einer Bohrung 5 einer bereits am Zylinder vorgesehenen Dekompressionseinrichtung verbunden. Anstelle der Dekompressionsbohrung kann die Rückführleitung 1 ebenso an eine Bohrung für eine Luftstartanlage oder für Nachladeeinrichtungen anschließen. Derartige Hilfseinrichtungen sind üblicherweise ohnehin an Zylinderköpfen von mittelschnellaufenden aufgeladenen Dieselmotoren vorgesehen. Hierbei ist es jedoch wesentlich, daß diese Bohrung 5 zusätzlich zu den Öffnungen oder Bohrungen der Einlaß- bzw. Auslaßgaswechselventile im Zylinderkopf ausgebildet ist. Nur so ist eine vom Ladungswechsel unabhängige Zuführung des Abgases sichergestellt. Im Bereich der Bohrung 5 ist ein Ventilsitz für das Ventil 14 einer Ventileinrichtung 13 ausgebildet. Das Ventil 14 ist motorisch betätigbar und mit einem elektromagnetischen Steuerantrieb ausgestattet. An dessen Stelle kann jedoch auch ein mechanisch variabler-, pneumatischer- oder hydraulischer Steuerantrieb zum Einsatz kommen. Gesteuert wird das Ventil 14 in Abhängigkeit von der Steuervorgabe der Regeleinheit 7, welches dadurch den Abgasteilvolumenstrom aus der Rückführleitung 1 in den Brennraum 4 des Zylinders 3 bestimmt.

Anschließend wird die Funktionsweise der zuvor aufgezeigten Einrichtung zur externen Abgasrückführung beschrieben. Die Abgasrückführung erfolgt dabei zylinderindividuell, weshalb sich der nun beschriebene Funktionsablauf auf die Rückführung eines Abgasteilvolumens aus der Abgassammelleitung 2 in den Brennraum 4 eines Zylinders 3 bezieht und zeitlich auf den Bereich zwischen zwei Arbeitsspielen des selben Zylinders 3 begrenzt ist.

Ausgangspunkt der Beschreibung ist die einsetzende Kolbenhubbewegung während eines Kompressionstaktes des Zylinders 3. Im Regelfall sind dann die Gaswechselventile des Zylinders 3 geschlossen; Ventil 14 ist zwingend geschlossen. Währenddessen puffen ein oder mehrere Zylinder 3 des Dieselmotors in die Abgassammelleitung 1 aus. Über die Undichtigkeiten in den Steckverbindungen der Heißgasleitung 11 tritt Abgas in den Zwischenraum 18 aus. Dadurch baut sich in diesem Zwischenraum 18 ein Druck auf, der etwa dem mittleren Druck des Abgases vor der Turbine (nicht dargestellt) entspricht. Dieses staudruckbeaufschlagte Abgasvolumen im Zwischenraum 18 steht somit ohne weiteren Verdichtungsaufwand zur Abgasrückführung zur Verfügung. Aufgrund der strömungsmechanisch vorgesehenen Abgasführung innerhalb der Abgassammelleitung 1 und den geringen Öffnungsquerschnitten der Undichtigkeiten in den Steckverbindungen der Heißgasleitung 11 sind die Gasgeschwindigkeiten im Zwischenraum 18 sehr niedrig und der Rußpartikelanteil des sich darin befindenden Abgases verschwindend gering. Der Übertritt des Abgases aus der Heißgasleitung 11 in den Zwischenraum 18 innerhalb des äußeren Gehäuses 12 kann durch zusätzlich im Abgasströmungsschatten ausgebildete Bohrungen in der Heißgasleitung 11 unterstützt sein. Dementsprechende Bauformen von gekapselten Abgassammelleitungen sind bekannt.

Über die Entnahmebohrung 19 sind der Zwischenraum 18 und die Abgasrückführleitung leitend miteinander verbunden. Folglich ist das Gesamtvolumen der Abgasleitung 1 bis hin zum Ventil 14 ebenfalls mit Abgas gefüllt und vom Abgasstaudruck beaufschlagt.

Das quasi in der Abgasrückführleitung 1 vorportionierte Abgasteilvolumen verbleibt so in der Zeit zwischen zwei Abgasrückführphasen bzw. Ansaugtakten des Zylinders 3 als statische Abgassäule in der Rückführleitung 1. Während dieser Zeit findet ein Wärmeaustausch zwischen der heißen Abgassäule über die Rückführleitung 1 an die Umgebung statt. Aufgrund der verhältnismäßig großen Oberfläche der Rückführleitung 1 und der kleinen auf das zylinderindividuell pro Ladungswechsel rückzuführende Volumen reduzierten Abgasteilmenge, wird ausreichend Wärme abgegeben, um das Abgas wirkungsvoll abzukühlen. Zur Verstärkung des Kühleffekts und der Konvektionsfläche sind an der Außenoberfläche der Rückführleitung 1 zusätzlich Kühlrippen 20 ausgebildet. Anstelle der Kühlrippen 20 kann die Rückführleitung 1 auch von einem Wasserkühlmantel umgeben sein, der jeweils mit der Wasserummantelung des äußeren Gehäuses 12 in Verbindung steht.

Die Abgasabkühlphase endet mit Öffnen des Ventils 14. Dazu erhält der Aktuator 14 der Ventileinrichtung 13 ein entsprechendes Steuersignal von der Steuereinheit 7. Unabhängig von der Art der Ventilbetätigung löst der Steuerimpuls jeweils das Öffnen bzw. Schließen des Ventils 14 aus. Die Abgasrückführung in den Brennraum 4 wird dadurch in die Phase des Ansaugtaktes gelegt. Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet die Möglichkeit, das Abgas während des Ansaugtaktes bereits vor dem Öffnen des Einlaßventils in den Brennraum einzuleiten, um so die Phase des niedrigen Brennrauminnendrucks für die Abgasrückführung einzusetzen. Grundsätzlich ist vorgesehen, daß das Abgaszuführventil 14 zumindest dann voll geöffnet ist, wenn der Kolben 21 während seiner Abwärtsbewegung maximale Geschwindigkeit hat. In dieser Betriebsphase ist der Zylinderinnendruck unabhängig von dem momentan ausgeregelten Ladeluftdruck kleiner als der Abgasdruck im Zwischenraum 18 der Abgassammelleitung 2. Bei geöffnetem Ventil 14 strömt das vorgesehene Abgasteilvolumen infolge des während dieser Phase anliegenden Druckgefälles zwischen Brennraum 4 und Zwischenraum 18 in den Brennraum. Gleichzeitig strömt ein der eingeleiteten Menge entsprechendes Abgasvolumen in die Rückführleitung 1 nach. Die Bemessung des Abgasteilvolumens steuert die Regeleinrichtung 7 in Abhängigkeit der Kurbelstellung 16 und des Staudrucksignals des Staudruckaufnehmers 17 über entsprechend früheres Öffnen oder späteres Schließen des Ventils 14. Nach Schließen des Ventils 14 ruht das nachgeströmte Abgasteilvolumen wieder in der Rückführleitung 1 und kann so während der relativ langen Phase zwischen zwei Ansaugphasen des jeweiligen Zylinders in der beschriebenen Weise gekühlt werden.

Neben der gezielten Mengendosierung des rückgeführten Abgases stellt die erfindungsgemäß vorgeschlagene zylinderindividuelle externe Abgasrückführung eine vorrichtungsgemäß besonders einfache Ausbildung zur externen Abgasrückführung bei aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen mit gekapselter Abgassammelleitung und einer separaten Zylinderkopfbohrung dar. Da ferner bei solchen Dieselmotoren, sowohl ein Kurbelwinkel-Lagesensor als auch ein Staudruckaufnehmer 17 bereits ohnehin zur kennfeldabhängigen Regelung des Motors vorhanden sind, kann die vorgeschlagene Einrichtung als modulartige Baugruppe an bestehenden aufgeladenen Dieselmotoren nachgerüstet werden.

Bezugszeichenliste

1 Rückführleitung
2 Abgassammelleitung
3 Zylinder
4 Brennraum
5 Bohrung
6 Zylinderkopf
7 Steuereinheit
8 Winkelsignalleitung
9 Staudrucksignalleitung
10 Ventilsignal
11 Heißgasleitung
12 äußeres Gehäuse
13 Ventileinrichtung
14 Ventil
15 Aktuator
16 KW-Lagesensor
17 Staudruckaufnehmer
18 Zwischenraum
19 Entnahmebohrung
20 Kühlrippen

Claims

1. Einrichtung zur externen Abgasrückführung bei einem mehrzylindrigen Dieselmotor mit Abgasturbolader, mit:

- einer Abgassammelleitung, die Zylinderauslässe mit einer Abgasturbine des Turboladers verbindet,
- mindestens einer von der Abgasleitung abzweigenden Abgasrückführleitung für einen Teilstrom der Abgase, die mit
- einer den Abgasteilstrom bestimmenden Einrichtung verbunden ist und über diese in ladeluftführende Bauteile einmündet,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Abgassammelleitung (2) mindestens eine innenliegende Heißgasleitung (11) umfaßt, die von einem gasdichten äußeren Gehäuse (12) umgeben ist, daß die Rückführleitung (1) von einem Zwischenraum (18) abzweigt, der zwischen Heißgasleitung (11) und äußerem Gehäuse (12) ausgebildet ist, und der in gas- und druckleitender Verbindung mit der Heißgasleitung (11) steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Rückführleitung (1) über eine Bohrung (5) im Bereiche des Zylinderkopfes (6) in den Brennraum (4) mindestens eines Zylinders einmündet, und daß die den Abgasteilstrom bestimmende Einrichtung eine Ventileinrichtung (13) mit einem in der Bohrung (5) angeordneten Ventil (14) umfaßt, welches mittels einer Steuereinheit (7) frei ansteuerbar ist, um die leitende Verbindung zwischen Zwischenraum (18) und Brennraum (4) wahlweise herzustellen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Zylinder (3) eine separate Rückführleitung (1) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Rückführleitung (1) dem maximal pro Zylinderfüllung zurückzuführenden Abgasteilvolumen entspricht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (1) Mittel zur Abgaskühlung aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (13) mechanisch variabel, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der hydraulisch betätigbaren Ventileinrichtung (13) druckbeaufschlagter Kraftstoff als Hydraulikfluid vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil-Einrichtung (13) die Zylinderkopfbohrung einer Dekompressionseinrichtung umfaßt.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (5) einer Luftstartanlage oder einer Nachladeeinrichtung zur Einleitung des rückgeführten Teilstroms des Abgases in den Brennraum (4) verwendet wird.