DE10053591A1

DE10053591A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10053591A1
Application number: DE10053591A
Authority: DE
Inventors: Marko-Dejan Vide
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: DE10053591C2; AT3888U2; AT3888U3

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

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und ei nem Auslasssystem und einer vom Auslasssystem abzweigenden und zum Ein lasssystem führenden Abgasrückführleitung, wobei in der Abgasrückführleitung ein Abgasrückführkühler angeordnet ist.

Es ist bekannt, zur Absenkung der NO_x-Emissionen bei Brennkraftmaschinen eine Teilstrom des Abgases aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem rück zuführen. Die Verringerung der NOx-Emissionen erfolgt dabei direkt bei der Verbrennung, einerseits durch eine Reduktion der Flammentemperatur und an dererseits 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 Brenngastemperaturerniedrigung. Um die NO_x-Emissionen wei ter zu senken, ist es vorteilhaft, beide Komponenten des angesaugten Gasgemi sches (Frischluft und rückgeführtes Abgas) zusätzlich noch soweit wie möglich abzukühlen. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist beispielsweise aus der DE 43 19 380 C1 bekannt. Der Abgasrückführkühler ist üblicherweise als einfa cher Luft/Luft- oder Luft/Wasser-Wärmetauscher ohne ein den Aggregatzustand 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 Ab gas Wärme im Bereich eines Auslasssammlers entzieht und einem Abgasreaktor zuführt.

Aus der RU 2 070 655 C1 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Wärme rohr-Wärmetauscher bekannt, welcher Wärme dem Abgas des Auslasssystemes entzieht, und einem Vergaser des Einlasssystemes zuführt.

Wärmerohr-Wärmetauscher, welche nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, weisen eine oder mehrere geschlossene und evakuierte Röhren auf. Jede Röhre bildet einen geschlossenen Kreislauf. Der Wärmetransport erfolgt da bei durch die Zirkulation eines speziellen Arbeitsmediums in der Röhre. Durch stetiges Verdampfen und anschließendes Kondensieren des verdampfbaren Ar beitsmediums, beispielsweise Methanol, wird die an einem Ende des Rohres zu geführte Wärme am anderen Ende des Rohres durch Kondensation des Arbeits mediums an eine Wärmesenke abgegeben. Nach dem Heat-Pipe-Prinzip arbei tende Wärmerohr-Wärmetauscher erlauben hohe konstruktive Freiheiten, können sehr kompakt ausgeführt werden und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, insbe sondere bei größeren Temperaturdifferenzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs ge nannten Art eine konstruktiv einfache und platzsparende effiziente Kühlung des rückgeführten Abgases zu ermöglichen.

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 Abgasrückführleitung angeordnet ist und dessen zweites Ende mit einer Wärmesenke verbunden ist. Das in der Abgasrückführleitung angeord nete 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 Kühl kreislauf 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, vorzugsweise drei Reihen, angeordnet sind. Die Wärme rohre sind dabei radial zur Abgasrückführleitung angeordnet, wodurch der Ab gaskühler sehr kompakt ausgeführt werden kann.

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

Fig. 3 Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer Ausführungsvari ante,

Fig. 4 den Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer weiteren, luftgekühlten Ausführungsvariante,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Wärmerohr-Wärmetau schers 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 Bezugszei chen versehen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Einlass system 2 und ein Auslasssystem 3 auf. Mit 2a ist ein Einlasssammler des Einlass systemes 2 und mit 3a ein Auslasssammler des Auslasssystemes 3 bezeichnet. Zur Rückführung von Abgas zweigt vom Auslasssystem 3 eine Abgasrückführlei tung 4 ab und mündet in das Einlasssystem 2, wobei im Bereich der Mündung eine Düse-Diffusoreinheit 5 angeordnet sein kann. Die Düse-Diffusoreinheit 5 kann gegebenenfalls über eine Bypassleitung 6, in welcher ein Steuerventil 7 vorgesehen ist, umgehbar ausgeführt sein.

Zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases ist in der Abgasrückführ leitung 4 ein Abgasrückführ-Steuerventil 8 angeordnet. In der Abgasrückleitung 4 ist weiters ein Abgasrückführkühler 9 vorgesehen, mit welchem die Temperatur des rückgeführten Abgases und somit die Brennraumtemperatur weiter abge senkt werden kann, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Der Abgasrückführ kühler 9 ist als Wärmerohr-Wärmetauscher 10 ausgeführt und arbeitet nach dem Prinzip von bekannten Heat-Pipe-Systemen. Der Wärmerohr-Wärmetauscher 10 weist eine Anzahl von geschlossenen Wärmerohren 11 auf, deren Innenraum evakuiert ist und ein verdampfbares Arbeitsmedium 12, beispielsweise Alkohol, Wasser, etc., beinhaltet. Das erste Ende 13 jedes Wärmerohres 11 befindet sich in der Abgasrückführleitung 4 und wird durch das durch den Pfeil 14 angedeutete rückgeführte Abgas umströmt, welches im vorliegenden Fall die Wärmequelle H₁ bildet. Das zweite Ende 15 jedes Wärmerohres 11 befindet 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 befinden, wel cher 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, bezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine analoge Ausführung zur Fig. 3, wobei das zweite Ende 15 des Wärmerohres 11 durch 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, beispiels weise Luft oder Wasser gebildete Wärmesenke H₂ gekühlt, wodurch das dampf förmige Arbeitsmedium 12 im Bereich des zweiten Endes 15 kondensiert und da bei Wärme an das Kühlmedium 20 abgibt. Das kondensierte Arbeitsmedium 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 Kapillarenkör pers 22 (Fig. 4) entlang der gesamten Länge der Wärmerohrinnenwand in eine Art "Zwangsumlauf" übergeführt werden. Der Kapillarenkörper 22, der vorzugs weise aus mehreren Lagen eines Drahtgeflechtes bzw. aus einem porösen Metall schwamm besteht, verbessert sowohl den Transport des kondensierten Arbeits mediums 12 zur Wärmequelle H₁ als auch die Verdampfungsbedingungen.

Die Wärmerohre 11 sind vorteilhafterweise in Gruppen von einer, zwei oder drei Reihen 21 in 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 An strömwinkel α des Kühlmediums 20 im bezug auf die Längsachse 4a der Abgas rückführleitung 4 ist in weiten Bereichen frei wählbar.

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

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

Claims

1. Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (2) und einem Auslasssys tem (3) und einer vom Auslasssystem (3) abzweigenden und zum Einlass system (2) führenden Abgasrückführleitung (4), wobei in der Abgasrück führleitung (4) ein Abgasrückführkühler (9) angeordnet ist, dadurch ge kennzeichnet, dass der Abgasrückführkühler (9) als Wärmerohr-Wärme tauscher (10) ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium (12) gefülltes Wärmerohr (11) aufweist, des sen erstes Ende (13) in der Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist und dessen zweites Ende (15) mit einer Wärmesenke (H₂) verbunden ist.

2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (H₂) durch ein gasförmiges Kühlmedium (20), vorzugs weise Luft, gebildet ist.

3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (H₂) durch ein flüssiges Kühlmedium (20), vorzugsweise Kühlwasser des Motorkühlkreislaufes (17), gebildet ist.

4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass Wärmerohr-Wärmetauscher (10) zumindest zwei Wärmerohre (11) aufweist und die Wärmerohre (11), vorzugsweise radial zur Abgasrückführleitung (4), angeordnet sind.

5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (11) des Wärmerohr-Wärmetauschers (10) in Gruppen von zumindest zwei, vorzugsweise drei Reihen (21), angeordnet sind.

6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass im Abgasrückführkühler (9) die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre (11) in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke (H₂) - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgas rückführkühlers (9) - unterschiedlich sind.

7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mehreren Wärmerohren (11), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wär merohre (11) verschiedene Arten von Arbeitsmedien (12) - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgasrückführkühlers (9) - aufweisen.

8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mehreren Wärmerohren (11), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wär merohre (11) unterschiedliche Füllstände des Arbeitsmediums (12) - ent sprechend dem Wärmegefälle des Abgasrückführkühlers (9) - aufweisen.