AT3888U2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlaßsystem (2) und einem Auslaßsystem (3) und einer vom Auslaßsystem (3) abzweigenden und zum Einlaßsystem (2) führenden Abgasrückführleitung (4), wobei in der Abgasrückführleitung (4) ein Abgasrückführkühler (9) angeordnet ist. Um auf einfache und platzsparende Weise eine effiziente Abgasrückführkühlung zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der Abgasrückführkühler (9) als Wärmerohr-Wärmetauscher (10) ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium (12) gefülltes Wärmerohr (11) aufweist, dessen erstes Ende (13) in der Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist und dessen zweites Ende (15) mit einer Wärmesenke (H`2) verbunden ist.

Description

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  Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslass- system und einer vom Auslasssystem abzweigenden und zum Einlasssystem führenden Abgas- rückführleitung, wobei in der Abgasrückführleitung ein Abgasrückführkühler angeordnet ist. 



  Es ist bekannt, zur Absenkung der   NOX-Emissionen   bei Brennkraftmaschinen eine Teilstrom des Abgases aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem   rückzuführen.   Die Verringerung der NOx-Emissionen erfolgt dabei direkt bei der Verbrennung, einerseits durch eine Reduktion der Flammentemperatur und andererseits durch eine Reduktion der Brenngeschwindigkeit. 



  Obwohl also durch die Abgasrückführung die Temperatur des angesaugten Frischluft-Abgas- Gemisches erhöht wird, haben die oben genannten Mechanismen während der Verbrennung den Effekt einer   Brenngastemperaturemiedrigung.   Um die NOx-Emissionen weiter zu senken, ist es vorteilhaft, beide Komponenten des angesaugten Gasgemisches (Frischluft und rückge- führtes Abgas) zusätzlich noch soweit wie möglich abzukühlen. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist beispielsweise aus der DE 43 19 380 Clbekannt. Der   Abgasrückführkühler   ist üblicherweise als einfacher Luft/Luft- oder   Luft/Wasser-Wärmetauscher   ohne ein den Aggre- gatzustand änderndes Arbeitsmedium ausgebildet. 



  Aus der US 3,962,869 A und der US 4,107,922 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Wärmerohr-Wärmetauscher im Auslasssystem bekannt, welcher dem Abgas Wärme im Be- reich eines Auslasssammlers entzieht und einem Abgasreaktor zuführt. 



  Aus der RU 2 070 655 Clist ferner eine Brennkraftmaschine mit einem   Wärmerohr-Wärme-   tauscher bekannt, welcher Wärme dem Abgas des Auslasssystemes entzieht, und einem Ver- gaser des Einlasssystemes zuführt. 



  Wärmerohr-Wärmetauscher, welche nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, wei- sen eine oder mehrere geschlossene und evakuierte Röhren auf. Jede Röhre bildet einen ge- schlossenen Kreislauf. Der Wärmetransport erfolgt dabei durch die Zirkulation eines speziel- len Arbeitsmediums in der Röhre. Durch stetiges Verdampfen und anschliessendes Konden- sieren des verdampfbaren Arbeitsmediums, beispielsweise Methanol, wird die an einem Ende des Rohres zugeführte Wärme am anderen Ende des Rohres durch Kondensation des Arbeits- mediums an eine Wärmesenke abgegeben. Nach dem Heat-Pipe-Prinzip arbeitende Wärme- rohr-Wärmetauscher erlauben hohe konstruktive Freiheiten, können sehr kompakt ausgeführt werden und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, insbesondere bei grösseren Temperaturdif- ferenzen. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine konstruktiv einfache und platzsparende effiziente Kühlung des rückgeführten Abgases zu er- möglichen. 

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  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der   Abgasrückführkühler   als Wärmerohr- Wärmetauscher ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium gefülltes Wärmerohr aufweist, dessen erstes Ende in der Abgasrückführlei- tung angeordnet ist und dessen zweites Ende mit einer Wärmesenke verbunden ist. Das in der Abgasrückführleitung angeordnete erste Endes jedes Wärmerohres wird vom rückgeführten Abgas umströmt. Das mit einer Wärmesenke verbundene zweite Ende wird vom gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium umströmt. Die Wärmesenke kann dabei durch den Kühlkreislauf des Motors oder den Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum gebildet sein. 



  Eine besonders gute Kühlung des rückgeführten Abgases ergibt sich, wenn der Wärmerohr- Wärmetauscher mehrere Wärmerohre aufweist, welche in Gruppen von zumindest zwei, vor- zugsweise drei Reihen, angeordnet sind. Die Wärmerohre sind dabei radial zur Abgasrück- fuhrleitung angeordnet, wodurch der Abgaskühler sehr kompakt ausgeführt werden kann. 



  In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass im   Abgasrückführkühler   die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke unterschiedlich sind. Innerhalb ein und des- selben Abgasrückführkühlers kann darüber hinaus bei zumindest zwei Wärmerohren die Art des Arbeitsmediums und/oder dessen Füllstand - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgas- rückführkühlers - unterschiedlich sein. 



  Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 



  Es zeigen Fig. 1 eine Schemazeichnung der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine Schrägansicht des Wärmerohr-Wärmetauschers ohne Oberteil in einer   Ausführungs-   variante, Fig. 3 Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer Ausfuhrungsvariante, Fig. 



  4 den Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer weiteren, luftgekühlten Ausfüh- rungsvariante, Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines   Wärmerohr-Wärmetauschers   in einer dritten Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine, Fig. 6 eine Draufsicht auf diesen Wärmerohr-Wärmetauscher und Fig. 7 den Wärmerohr-Wärmetauscher im Schnitt gemäss der Linie VII-VII in Fig. 5. 



  Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen ver- sehen. 



  Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Einlasssystem 2 und ein Auslasssystem 3 auf. Mit 2a ist ein Einlasssammler des Einlasssystemes 2 und mit 3a ein Aus- lasssammler des Auslasssystemes 3 bezeichnet. Zur Rückführung von Abgas zweigt vom Aus- lasssystem 3 eine Abgasrückführleitung 4 ab und mündet in das Einlasssystem 2, wobei im Bereich der Mündung eine Düse-Diffusoreinheit 5 angeordnet sein kann. Die Düse-Diffusor- einheit 5 kann gegebenenfalls über eine Bypassleitung 6, in welcher ein Steuerventil 7 vorge- sehen ist, umgehbar ausgeführt sein. 

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  Zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases ist in der Abgasrückfuhrleitung 4 ein Abgasrückführ-Steuerventil 8 angeordnet. In der Abgasrückleitung 4 ist weiters ein Abgas- rückführkühler 9 vorgesehen, mit welchem die Temperatur des rückgeführten Abgases und somit die Brennraumtemperatur weiter abgesenkt werden kann, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Der   Abgasrückführkühler   9 ist als Wärmerohr-Wärmetauscher 10 ausgeführt und arbeitet nach dem Prinzip von bekannten Heat-Pipe-Systemen. Der Wärmerohr-Wärme- tauscher 10 weist eine Anzahl von geschlossenen Wärmerohren 11auf, deren Innenraum eva- kuiert ist und ein verdampfbares Arbeitsmedium 12, beispielsweise Alkohol, Wasser, etc., beinhaltet.

   Das erste Ende 13 jedes Wärmerohres 11 befindet sich in der   Abgasrückfuhrlei-   tung 4 und wird durch das durch den Pfeil 14 angedeutete rückgeführte Abgas umströmt, wel- ches im vorliegenden Fall die Wärmequelle H1 bildet. Das zweite Ende 15 jedes Wärme- rohres 11befindet sich im Bereich einer Wärmesenke H2, welche durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Luft gebildet ist. Insbesondere bei flüssigem Kühlmedium kann sich das zweite Ende 15 in einem geschlossenen Kühlkanal 16 eines Kühlkreislaufes 17 be- finden, welcher beispielsweise ein Motorkühlkreislauf bzw. ein Heizungskreislauf für den Fahrgastinnenraum sein kann. Mit Bezugszeichen 18 ist ein Wärmetauscher zur Ableitung der Wärme des Kühlkreislaufes 17, beispielsweise der Kühler oder ein Heizungsradiator, bezeich- net. 



  Fig. 4 zeigt eine analoge Ausführung zur Fig. 3, wobei das zweite Ende 15 des Wärmerohres 11durch Luft gekühlt wird. Das zweite Ende 15 wird dabei von Kühlrippen 19 umgeben. 



  Durch das in der Abgasrückführleitung 4 strömende Abgas 14 wird das erste Ende 13 des Wärmerohres 11 und somit das darin enthaltene Arbeitsmedium 12 erwärmt, wodurch das Arbeitsmedium 12 verdampft und dem Abgas 14 Wärme entzieht. Das zweite Ende 15 wird durch die durch das Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser gebildete Wärmesenke H2 gekühlt, wodurch das dampfförmige Arbeitsmedium 12 im Bereich des zweiten Endes 15 kondensiert und dabei Wärme an das Kühlmedium 20 abgibt. Das kondensierte Arbeits- medium 12 gleitet entlang der Innenwand durch die Wirkung der Schwerkraft nach unten zum ersten Ende 13 des Wärmerohres 11 und damit zur Wärmesenke H1 Dieser "freie" Umlauf des Arbeitsmediums kann durch den Einbau eines Kapillarenkörpers 22 (Fig. 4) entlang der gesamten Länge der Wärmerohrinnenwand in eine Art "Zwangsumlauf' übergeführt werden. 



  Der Kapillarenkörper 22, der vorzugsweise aus mehreren Lagen eines Drahtgeflechtes bzw. aus einem porösen Metallschwamm besteht, verbessert sowohl den Transport des konden- sierten Arbeitsmediums 12 zur Wärmequelle H1 als auch die Verdampfungsbedingungen. 



  Die Wärmerohre 11sind vorteilhafterweise in Gruppen von einer, zwei oder drei Reihen 21in der Abgasrückführleitung 4 angeordnet. 



  Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei Reihen 21 von Wärmerohren 11, Fig. 3 eine Anordnung mit einer Reihe 21 von Wärmerohren 11 im Querschnitt. Der Anströmwinkel a des Kühl- mediums 20 im bezug auf die Längsachse 4a der Abgasrückführleitung 4 ist in weiten Be- reichen frei wählbar. 

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  Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine Ausführungsvariante eines Wärmerohr-Wärmetauschers 10 mit drei Reihen 21von Wärmerohren 11, wobei zwei benachbarte Reihen versetzt zueinander angeordnet sind, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Auch in dieser Ausführungsvariante können die Wärmerohre 11durch ein Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, gekühlt werden. 



  Der   Wännerohr-Wärmetauscher   10 in der Abgasrückführleitung 4 erlaubt eine einfache und effektive Kühlung des rückgeführten Abgases, wobei grosse konstruktive Freiheiten in der Gestaltung und Anordnung der Wärmerohre 11in der Wahl des Kühlmediums und dessen Anströmrichtung bestehen.

Claims (8)

1. ANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (2) und einem Auslasssystem (3) und einer vom Auslasssystem (3) abzweigenden und zum Einlasssystem (2) führenden Abgas- rückführleitung (4), wobei in der Abgasrückführleitung (4) ein Abgasrückfuhrkühler (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückfuhrkühler (9) als Wärme- rohr-Wärmetauscher (10) ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium (12) gefülltes Wärmerohr (11) aufweist, dessen erstes Ende (13) in der Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist und dessen zweites Ende (15) mit einer Wärmesenke (H2) verbunden ist.
2. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- senke H2 durch ein gasförmiges Kühlmedium (20), vorzugsweise Luft, gebildet ist.
3. 3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- senke (H2) durch ein flüssiges Kühlmedium (20), vorzugsweise Kühlwasser des Motor- kühlkreislaufes (17), gebildet ist.
4. 4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmerohr-Wärmetauscher (10) zumindest zwei Wärmerohre (11) aufweist und die Wärmerohre (11), vorzugsweise radial zur Abgasrückführleitung (4), angeordnet sind.
5. 5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- rohre (11) des Wärmerohr-Wärmetauschers (10) in Gruppen von zumindest zwei, vor- zugsweise drei Reihen (21), angeordnet sind.
6. 6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückführkühler (9) die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre (11) in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke (H2) - ent- sprechend dem Wärmegefalle des Abgasrückfiihrkühlers (9) - unterschiedlich sind.
7. 7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mehreren Wärmerohren (11), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (11) verschiedene Arten von Arbeitsmedien (12) - entsprechend dem Wärmegefalle des Abgasrückführ- kühlers (9) - aufweisen.
8. 8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mehreren Wärmerohren (11), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (11) unterschiedliche Füllstände des Arbeitsmediums (12) - entsprechend dem Wärmegefalle des Abgasrück- führkühlers (9) - aufweisen.