DE10135118A1 - Abgasrückzirkulationskühlsystem - Google Patents

Abgasrückzirkulationskühlsystem

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DE10135118A1
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Abstract

Ein doppelt aufgeladener Verbrennungsmotor verbessert den Wirkungsgrad der Kompression und verbessert das Ansprechen durch serielle Anordnung eines ersten Turboladers und eines zweiten Turboladers. Ein Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System), das eine Ladekühlung verwendet, verringert die Emissionen der Stickoxyde (NOx). Das Abgasrückzirkulationssystem kühlt das rückzirkulierte Abgas durch Wärmetausch mit komprimierter gekühlter Verbrennungsluft in einem Abgasrückzirkulationswärmetauscher. Der zweite Turbolader hat eine Turbine mit variabler Geometrie zur Steuerung des Flusses von rückzirkuliertem Abgas.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Verbren­ nungsmotor und insbesondere auf ein Abgasrückzirkulati­ onskühlsystem.
Technischer Hintergrund
Die meisten Verbrennungsmotoren treffen auf die Heraus­ forderung, die Leistung zu steigern, den Wirkungsgrad zu steigern und Emissionen zu verringern. Die Druckaufladung eines Verbrennungsmotors steigert sowohl die Leistung als auch den Wirkungsgrad. Die Druckaufladung ist ein Prozeß, bei dem Umgebungsluft komprimiert wird, um es zuzulassen, daß mehr Luft einen Motorzylinder füllt. Zahlreiche Ver­ fahren der Druckaufladung sind verwendet worden, ein­ schließlich des Antreibens eines Kompressors von einer Motorwelle.
Turbolader sind Druckaufladungsvorrichtungen, die weiter den Wirkungsgrad verbessern, und zwar durch Verwendung von Energie in einem Abgas, um eine Druckaufladung vorzu­ sehen. Abgas mit hohem Druck und hoher Temperatur tritt in eine Turbine ein, die mit einem Kompressor verbunden ist. Wenn das Abgas mit hohem Druck und hoher Temperatur durch die Turbine expandiert bzw. läuft, treibt die Tur­ bine den Kompressor an. Wie im US-Patent 3, 250, 068 ge­ zeigt, das an Vulliamy am 10. Mai 1966 ausgegeben wurde, ist dort die Verwendung von Turboladern gezeigt, die in serieller bzw. aufeinanderfolgender Weise angeordnet sind. Dies gestattet, daß die Turbolader über einen gro­ ßen Betriebsbereich besser ansprechen. Weiterhin sieht das Anordnen der Turbolader in serieller Weise Möglich­ keiten für einzigartige Steuerungen vor.
Um Emissionen zu verringern, wird ein Abgasrückzirkulati­ onssystem (AGR-System) verwendet, um die Erzeugung von unerwünschten Verunreinigungsgasen und Partikelstoffen im Betrieb der Verbrennungsmotoren zu steuern. Solche Syste­ me haben sich insbesondere bei Verbrennungsmotoren als nützlich erwiesen, die in Motorfahrzeugen verwendet wer­ den. AGR-Systeme zirkulieren in erster Linie Abgas von der Verbrennung in die Einlaßluftversorgung des Verbren­ nungsmotors zurück. Abgas, das in den Motorzylinder ein­ geleitet wird, verschiebt ein Volumen, das für Sauerstoff verfügbar ist. Verringerte Sauerstoffkonzentrationen sen­ ken die maximalen Verbrennungstemperaturen innerhalb des Zylinders und verlangsamen die chemischen Reaktionen des Verbrennungsprozesses, was die Bildung von Stickoxyden (NOx) verringert. Weiterhin enthalten die Abgase typi­ scherweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die bei der Wiedereinleitung in den Motorzylinder verbrannt werden. Die Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe re­ duziert weiter die Emission von unerwünschten Verunreini­ gungen aus dem Verbrennungsmotor.
Im US-Patent 5,142, 866, das an Yanagihara und andere am 1. September 1992 ausgegeben wurde, ist ein Abgasrückzir­ kulationssystem stromabwärts eines ersten Kompressors in einem ersten Turbolader angeschlossen. Der erste Turbola­ der ist seriell an einen zweiten Turbolader angeschlos­ sen. Die serielle Turboaufladung gestattet eine wirkungs­ vollere Kompression der Einlaßluftversorgung. Der erste Turbolader komprimiert ein großes Volumen der Einlaßluft­ versorgung zu einem zweiten Volumen. Der zweite Turbola­ der ist ausgelegt, um das kleinere zweite Volumen zu kom­ primieren. Der zweite Turbolader ist auch ausgelegt, um schnell auf Veränderungen der Motorbelastung anzuspre­ chen.
Die Kühlung von rückzirkuliertem Abgas verbessert weiter die Emissionsverringerungen, die durch das Rückzirkulie­ ren von Abgas zu erreichen sind. Die Kühlung des Abgases vor der Einleitung in den Motorzylinder verringert weiter die Verbrennungstemperaturen im Motorzylinder. Wie bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen senkt die verrin­ gerte Temperatur des rückzirkulierten Abgases schließlich die Erzeugung von NOx im Motorzylinder.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung hat ein Verbrennungsmotor einen Motorblock, der mit einem Zylin­ derkopf verbunden ist. Eine Auslaßsammelleitung und eine Einlaßsammelleitung sind strömungsmittelmäßig mit dem Zy­ linderkopf verbunden. Ein erster Turbolader und ein zwei­ ter Turbolader sind strömungsmittelmäßig mit der Auslaß­ sammelleitung verbunden. Eine Abgasrückzirkulationslei­ tung verbindet strömungsmittelmäßig die Auslaßsammellei­ tung mit der Einlaßsammelleitung. Eine Bypaß- bzw. Umge­ hungsleitung verbindet strömungsmittelmäßig eine Leitung für komprimiertes Gas, das in die Einlaßsammelleitung einspeist, mit mindestens einer Turbine der Turbolader. Ein Abgasrückzirkulationswärmetauscher verbindet ther­ misch die Abgasrückzirkulationsleitung mit der Bypaß- bzw. Umgehungsleitung.
Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung fühlt ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasrückzirkula­ tionssystems für einen Verbrennungsmotor einen Motorbe­ triebsparameter ab. Wenn der Motorbetriebszustand die Er­ zeugung oder die wahrscheinliche Erzeugung von NOx an­ zeigt, wird der Abgasfluß durch eine Abgasrückzirkulati­ onsleitung eingeschränkt. Weiterhin wird auch der Fluß der Verbrennungsluft durch eine Bypaß- bzw. Umgehungslei­ tung verringert. Der Fluß der Verbrennungsluft und der Fluß des Abgases tauschen Wärme aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung eines Verbren­ nungsmotors, der die vorliegende Erfindung ver­ körpert; und
Fig. 2 zeigt den Verbrennungsmotor, der ein Boost- bzw. Ladekühlventil und ein Abgasrückzirkulati­ onsventil hat.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Motor­ block 12. Bei dieser Anwendung definiert der Motorblock 12 eine Vielzahl von Motorzylindern 14. Während die An­ ordnung der Fig. 1 die eines Reihen-Sechs-Zylinder- Motors ist, kann irgend eine herkömmliche Motoranordnung die vorliegende Erfindung verwenden. Ein Zylinderkopf 16 wird an den Motorblock 12 in herkömmlicher Weise ange­ bracht. Eine Einlaßsammelleitung 18 ist strömungsmittel­ mäßig mit dem Zylinderkopf 16 verbunden. Eine Auslaßsam­ melleitung 20 ist auch strömungsmittelmäßig mit dem Zy­ linderkopf in herkömmlicher Weise verbunden. Insbesondere ist die Auslaßsammelleitung 20 in eine erste Auslaßsam­ melleitung 22 und eine zweite Auslaßsammelleitung 24 auf­ geteilt. Alternativ könnte die Auslaßsammelleitung 20 mehrere (nicht gezeigte) Auslaßanschlüsse haben.
Die erste Auslaßsammelleitung 22 ist mit einem Einlaß ei­ ner ersten Turbine 26 eines ersten Turboladers 28 durch eine erste Strömungsmittelleitung 30 verbunden. Die erste Turbine 26 kann von irgend einer Konstruktion sein, ein­ schließlich variabler Geometrie, fester Geometrie oder auslaßklappengesteuert. Der erste Turbolader 28 ist mit einem ersten Kompressor 32 durch eine erste Welle 34 ver­ bunden. Eine Umgebungsleitung 36 ist strömungsmittelmäßig mit einem Kompressoreinlaß des Kompressors 32 verbunden.
Die zweite Auslaßsammelleitung 24 ist strömungsmittelmä­ ßig mit einer zweiten Turbine 38 eines zweiten Turbola­ ders 40 durch eine zweite Strömungsmittelleitung 42 ver­ bunden. Bei dieser Anwendung ist der zweite Turbolader 40 von einer Konstruktion mit variabler Geometrie, vorzugs­ weise eine Konstruktion mit variabler Düse. Der zweite Turbolader 40 hat im allgemeinen ein kleines Volumen im Vergleich zum ersten Turbolader 28. Ein Auslaß der zwei­ ten Turbine 38 ist strömungsmittelmäßig mit dem Eingang der ersten Turbine 26 durch eine Kompressorauslaßleitung 43 verbunden. Ein Einlaß eines zweiten Kompressors 44 ist strömungsmittelmäßig mit einem Auslaß des ersten Kompres­ sors 32 durch eine Leitung 46 für komprimierte Luft ver­ bunden.
Die Einlaßsammelleitung 18 ist mit einem zweiten Kompres­ sor 44 durch eine Leitung 48 für komprimiertes Gas ver­ bunden. Ein Nachkühler 60 ist mit der Leitung 48 für kom­ primiertes Gas in herkömmlicher Weise verbunden. In die­ ser Anwendung ist der Nachkühler 60 eine Luft-Luft-Kon­ struktion. Anstelle von Luft können andere Kühlmedien auch verwendet werden, einschließlich Wasser und Kühlmit­ tel.
Ein Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) 52 weist ei­ ne AGR-Leitung 54 auf, eine Bypaß- bzw. Umgehungsleitung 56 und einen AGR-Wärmetauscher 58. Die AGR-Leitung 54 verbindet strömungsmittelmäßig die zweite Strömungsmit­ telleitung 42 mit der Leitung 48 für komprimiertes Gas stromabwärts des Nachkühlers 60. In dieser Anwendung sind die AGR-Leitung 54 und die Leitung 48 für komprimiertes Gas durch einen AGR-Mischer verbunden. Irgend eine her­ kömmliche Art der Zusammenführung von Strömungsmittel­ flüssen von zwei getrennten Strömungsmittelleitungen kann als der AGR-Mischer 62 wirken. Die Umgehungsleitung 56 verbindet die Kompressorausgangsleitung 43 mit der Lei­ tung 48 für komprimiertes Gas stromabwärts des Nachküh­ lers 60. Zusätzlich ist die Umgehungsleitung 56 stromauf­ wärts des AGR-Mischers 62 angeschlossen. Die Umgehungs­ leitung 56 und die AGR-Leitung 54 sind mit dem AGR-Wärme­ tauscher 58 verbunden. Der AGR-Wärmetauscher 58 ist vor­ zugsweise ein rekuperativer Primäroberflächenwärmetau­ scher. Jedoch kann die Erfindung irgend einen herkömmli­ chen Wärmetauscher verwenden.
Ein Steuersystem weist mindestens einen AGR-Sensor 64 und eine Steuervorrichtung 66 auf. In dieser Anwendung ist die Steuervorrichtung 66 eine mikroprozessorbasierte elektronische Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung (Controller) 66 nimmt ein Eingangssignal 68 vom AGR- Sensor 64 auf. Der AGR-Sensor 64 ist geeignet, um einen Motorparameter abzumessen, der die NOx-Emissionen an­ zeigt, wie beispielsweise die Motorlast, die Abgastempe­ ratur, den Druck in der Einlaßsammelleitung, die Sauer­ stoffkonzentration der Luft in der Einlaßsammelleitung oder die NOx-Konzentration in der Auslaßsammelleitung. Die Steuervorrichtung sendet ein Ausgangssignal 69 an die zweite Turbine 38. Ein optionaler (nicht gezeigter) zwei­ ter Sensor würde weiterhin dabei helfen, das rückzirku­ lierte Abgas zu kühlen, um eine Kondensation zu verhin­ dern.
Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel mit sowohl einem Boost- bzw. Ladekühlventil 70 als auch einem AGR-Ventil 72. In diesem Ausführungsbeispiel ist das La­ dekühlventil 70 in der Umgehungsleitung 56 stromaufwärts des AGR-Wärmetauschers 58 positioniert. Das Ladekühlven­ til 70 ist vorzugsweise variabel belegbar zwischen einer im wesentlichen offenen Position und einer im wesentli­ chen geschlossenen Position. Das AGR-Ventil 72 ist mit der AGR-Leitung 54 stromaufwärts des AGR-Wärmetauschers 58 verbunden. Das AGR-Ventil 72 arbeitet in irgend einer herkömmlichen Weise, die einen An/Aus-Betrieb und einen variablen Betrieb aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sendet die Steuervorrichtung 66 auch ein Ausgangssignal 74 an das Ladekühlventil 70, und ein Ausgangssignal 76 an das AGR-Ventil 72.
Industrielle Anwendbarkeit
Im Betrieb bildet sich Abgas von der Verbrennung in der Vielzahl von Motorzylindern 14. Das Abgas läuft von der ersten Auslaßsammelleitung 22 durch die erste Strömungs­ mittelleitung 30 in die erste Turbine 26. Wenn das Abgas durch die erste Turbine 26 expandiert, treibt die Energie von dem Abgas die erste Welle 34 an, um den ersten Kom­ pressor 26 zu drehen.
Auch tritt das Abgas durch die zweite Auslaßsammelleitung 24 in die zweite Strömungsmittelleitung 42. Die veränder­ liche Geometrie der zweiten Turbine 38 leitet einen Teil des Abgases in die AGR-Leitung 54. Wenn die zweite Turbi­ ne 38 weniger einschränkend wird, nimmt der Anteil des Abgases, der in die AGR-Leitung 54 eintritt, ab.
Verbrennungsluft läuft durch den ersten Kompressor 32. Die Verbrennungsluft läuft dann durch den zweiten Kom­ pressor 44, wo sie weiter komprimiert wird. Im allgemei­ nen prägt der erste Kompressor 32 der Verbrennungsluft eine größere Drucksteigerung auf als der zweite Kompres­ sor 44. Jedoch ist die Verbrennungsluft, die den zweiten Kompressor 44 verläßt, auf höheren absoluten Drücken als die Verbrennungsluft, die aus dem ersten Kompressor 26 austritt. Nach dem Durchlaufen des zweiten Kompressors 44 verringert der Nachkühler 60 die Temperatur der Verbren­ nungsluft. Die Verringerung der Verbrennungslufttempera­ tur verringert weiter die Dichte der Verbrennungsluft.
Nach dem Durchlaufen des Nachkühlers läuft gekühlte kom­ primierte Verbrennungsluft durch entweder die Umgehungs­ leitung 56, weiter durch die Leitung 48 für komprimiertes Gas, oder ein Teil läuft durch die Leitung 48 für kompri­ miertes Gas und die Umgehungsleitung 56. Verbrennungs­ luft, die durch die Leitung 48 für komprimiertes Gas fließt, vermischt sich mit dem rückzirkulierten Abgas im AGR-Mischer, um Verbrennungsgas zu bilden. Verbrennungs­ luft, die durch die Umgehungsleitung 56 fließt, tauscht Wärme mit dem rückzirkulierten Abgas in der AGR-Leitung 54 aus. Bei dieser Anwendung fließen das rückzirkulierte Abgas und die Verbrennungsluft, die durch die Umgehungs­ leitung 56 fließt, entgegengesetzt zueinander. Ein Teil der Energie in der Verbrennungsluft, die durch die Umge­ hungsleitung 54 fließt, wird während ihrer Expansion durch die zweite Turbine 38 wiedergewonnen.
In Fig. 1 sendet der AGR-Sensor 64 Eingangssignale 68 an die Steuervorrichtung 66, um zu bewirken, daß die zweite Turbine einen einschränkenderen Fluß hat, wenn der AGR- Sensor 64 eher eine gesteigerte NOx-Emission anzeigt. Als ein Beispiel kann der AGR-Sensor 64 den Luftdruck in der Einlaßsammelleitung 18 abfühlen. Wenn der Luftdruck an­ steigt, interpretiert die Steuervorrichtung 66 das Ein­ gangssignal 68 derart, daß es mehr gesteigerte Emissionen anzeigt. Die Steuervorrichtung 66 sendet Ausgangssignale 69 an die zweite Turbine 38, um weiter den Fluß zu ver­ ringern, was wiederum die Abgasrückzirkulation durch die Abgasrückzirkulationsleitung 54 steigert.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird eine weitere Steuerung von rückzirkuliertem Abgas durch Anwendung des Ladekühlventils 70 und des AGR-Ventils 72 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel nimmt das Ladekühlventil 70 das Ausgangssignal 74 von der Steuervorrichtung 60 auf, um die Ventilpositionen zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position zu variieren. Wenn die Steuer­ vorrichtung 66 Eingangssignale 68 vom AGR-Sensor 64 auf­ nimmt, was eine gesteigerte NOx-Produktion anzeigt, sen­ det die Steuervorrichtung 66 Ausgangssignale 74, 76, um das Ladekühlventil 70 und das AGR-Ventil zu ihren jewei­ ligen offenen Positionen zu bewegen.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön­ nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims (14)

1. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist: einen Motorblock;
einen Zylinderkopf, der mit dem Motorblock verbunden ist;
eine Auslaßsammelleitung, die strömungsmittelmäßig mit dem Zylinderkopf verbunden ist;
eine Einlaßsammelleitung, die strömungsmittelmäßig mit dem Zylinderkopf verbunden ist;
einen ersten Turbolader mit einer ersten Turbine und einem ersten Kompressor, wobei ein Einlaßteil der ersten Turbine strömungsmittelmäßig mit der Auslaß­ sammelleitung durch eine erste Strömungsmittellei­ tung verbunden ist;
einen zweiten Turbolader mit einer zweiten Turbine und einem zweiten Kompressor, wobei ein Einlaßteil der zweiten Turbine strömungsmittelmäßig mit der Auslaßsammelleitung durch eine zweite Strömungsmit­ telleitung verbunden ist, wobei ein Auslaßteil des ersten Kompressors strömungsmittelmäßig mit einem Einlaßteil des zweiten Kompressors verbunden ist;
wobei ein Auslaßteil des zweiten Kompressors mit der Einlaßsammelleitung durch eine Leitung für kompri­ miertes Gas verbunden ist;
eine Abgasrückzirkulationsleitung, die strömungsmit­ telmäßig die zweite Strömungsmittelleitung mit der Einlaßsammelleitung verbindet;
eine Bypaß- bzw. Umgehungsleitung, die strömungsmit­ telmäßig die Leitung für komprimiertes Gas mit dem Einlaßteil der ersten Turbine verbindet; und
einen Abgasrückzirkulationswärmetauscher, der geeig­ net ist, um thermisch die Abgasrückzirkulationslei­ tung mit der Umgehungsleitung zu verbinden.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Aus­ laßteil der zweiten Turbine strömungsmittelmäßig mit einem Einlaßteil der ersten Turbine verbunden ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbine und/oder die erste Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie ist.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiter einen Nachkühler aufweist, der mit der Leitung für kompri­ miertes Gas stromabwärts des Auslaßteils des zweiten Kompressors verbunden ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiter ein Boost- bzw. Ladekühlventil aufweist, das mit der Um­ gehungsleitung verbunden ist, wobei das Ladekühlven­ til zwischen einer offenen Position und einer ge­ schlossenen Position bewegbar ist, wobei die ge­ schlossene Position im wesentlichen eine Strömungs­ mittelverbindung zwischen der Leitung für kompri­ miertes Gas und der ersten Turbine verhindert, wobei die offene Position im wesentlichen eine Strömungs­ mittelverbindung zwischen der Leitung für kompri­ miertes Gas und der ersten Turbine gestattet.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei das Lade­ kühlventil stromaufwärts des Abgasrückzirkulations­ wärmetauschers ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei das Lade­ kühlventil variabel bewegbar ist zwischen der offe­ nen Position und der geschlossenen Position.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiter einen Mischer aufweist, der die Leitung für komprimiertes Gas und die zweite Strömungsmittelleitung verbindet.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiter ein Abgasrückzirkulationsventil aufweist, das in der Ab­ gasrückzirkulationsleitung positioniert ist, wobei das Abgasrückzirkulationsventil eine offene Position und eine geschlossene Position hat, wobei in der ge­ schlossenen Position im wesentlichen verhindert wird, daß das Abgas zwischen der Auslaßsammelleitung und der Einlaßsammelleitung durch die Abgasrückzir­ kulationsleitung läuft.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, wobei das Abgas­ rückzirkulationsventil variabel zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position bewegbar ist.
11. Verfahren zur Steuerung eines Abgasrückzirkulations­ systems für einen Verbrennungsmotor, das folgende Schritte aufweist:
Abfühlen eines Motorbetriebsparameters;
Reduzierung der Schlußbeschränkung des Abgases durch eine Abgasrückzirkulationsleitung, wobei der Motor­ betriebsparameter die Erzeugung von NOx anzeigt Verringerung der Flußeinschränkungen von Verbren­ nungsluft durch eine Bypaß- bzw. Umgehungsleitung, wobei der Motorbetriebsparameter die Erzeugung von NOx anzeigt; und
Austauschen von Wärme zwischen dem Fluß der Verbren­ nungsluft und dem Fluß des Abgases.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Abführmittel ein Drucksensor ist, der in einer Einlaßsammellei­ tung positioniert ist, wobei der Drucksensor geeig­ net ist, um einen Luftdruck eines Verbrennungsgases zu messen.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Reduzierungs­ schritt die Steuerung einer Turbine mit variabler Geometrie eines Turboladers aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Reduzierungs­ schritt durch ein Abgasrückzirkulationsventil in der Abgasrückzirkulationsleitung ausgeführt wird.
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