DE10053591A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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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 NOx-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 NOx-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 (8)
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.
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