DE102008045479A1

DE102008045479A1 - System zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008045479A1
Application number: DE102008045479A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Lutz; Eberhard Dr.-Ing. Pantow
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System (34, 36, 38, 40, 42, 44) zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (10), wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Abgassystem mit einem Hochdruck- (26) und einem Niederdruckteil (28) aufweist, wobei das System (34, 36, 38, 40, 42, 44) eine Abscheideeinheit (34) aufweist, die ausgebildet ist, um aus einem Abgas des Hochdruckteils (26) des Abgassystems ein Kondensat abzuscheiden und das Kondensat über eine Entsorgungsleitung (36) in den Niederdruckteil (28) des Abgassystems einzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine System zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1, einen Wärmetauscher gemäß Anspruch 16 sowie ein Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 17.
Bei der Niedertemperatur-AGR-Kühlung (AGR = Abgasrückführung) direkt mit Luft oder indirekt mit Niedertemperaturkühlmittel entsteht im Abgaskühler Kondensat in größerer Menge. Dieses enthält Schwefel- und Salpetersäure und ist daher sauer. Das bei der Niedertemperaturabgaskühlung anfallende Kondensat wird im Stand der Technik in der Regel direkt dem Motor zugeführt. Eine solche direkte Zuführung des Kondensats in den Motor kann zu Korrosion des Materials im Ansaugbereich des Motors sowie im Zylinder selbst führen.
Die Offenbarung US 2001 045 090 A1 betrifft ein ähnliches Problem. Bei dem Ansatz, der in der US 2001 045 090 A1 vorgeschlagen wird, wird das Kondensat in einer Niederdruckabgasrückführung abgeschieden und wieder dem Abgasstrang zugeführt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass bei der in der US 2001 045 090 A1 offenbarten Ausführung kein natürliches treibendes Druckgefälle vorherrscht, so dass das Kondensat eigentlich in die Abgasleitung gepumpt werden müsste. Eine Pumpe wird aber nicht beschrieben, was zu Problemen bei der Ausführung der in der US 2001 045 090 A1 offenbarten Lehre führen kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eine Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welche verbesserte Eigenschaften haben.
Diese Aufgabe wird durch ein System zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1, einen Wärmetauscher gemäß Anspruch 16 sowie ein Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 17 gelöst. Günstige Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche näher definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein System zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Abgassystem mit einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil aufweist, wobei das System eine Abscheideeinheit aufweist, die ausgebildet ist, um aus einem Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems ein Kondensat abzuscheiden und das Kondensat über eine Entsorgungsleitung in den Niederdruckteil des Abgassystems einzuleiten.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher zur Aufnahme eines Abgases aus einem Hochdruckteil eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Wärmetauscher ausgebildet ist, um das aus der Verbrennungskraftmaschine aufgenommene Abgas abzukühlen, ein Kondensat daraus zu extrahieren und das Kondensat zumindest teilweise einem Niederdruckteil des Abgassystems zuzuführen
Auch schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Abgassystem mit einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Entnehmen von Abgas aus dem Hochdruckteil des Abgassystems;
– Abscheiden eines Kondensats aus dem entnommenen Abgas; und
– Einleiten zumindest eines Teils des Kondensats in den Niederdruckteil des Abgassystems.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein besserer Korrosionsschutz des Motors oder Teilen davon dann gegeben ist, wenn die schädlichen Substanzen aus dem Abgas heraus kondensiert werden und das Kondensat zumindest teilweise über den Niederdruckteil des Abgassystems entsorgt wird. Somit gelangt keine große Menge von schädlichen Bestandteilen des Abgases mehr in den Motorblock bzw. die Zylinder zurück und führt dort zu Materialverschleiß. Auch lässt sich die Niedertemperaturabgaskühlung mit dem erfinderischen Konzept vorteilhaft in Bereichen betreiben, in denen sehr viel Kondensat anfällt und es auch hierdurch zu Korrosionserscheinungen ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes kommen würde. Zugleich wird durch die Anordnung der Abgasaufbereitung auf der Hochdruckseite des Abgassystems eine günstige Druckdifferenz bei der Abführung des Kondensats in den Niederdruckteil des Abgassystems ausgenutzt, wodurch eine Pumpe zur Entsorgung des Kondensats entfallen kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der das Abgassystem eine Abgasbehandlungseinheit im Niederdruckteil des Abgassystems aufweist, kann die Entsorgungsleitung ausgebildet sein, um zumindest einen Teil des Kondensats an einer Stelle in den Niederdruckteil des Abgassystems einzuleiten die sich im Abgasfluss nach der Abgasbehandlungseinheit befindet. Hierdurch können teure oder empfindliche Komponenten der Abgasbehandlungseinheit (beispielsweise vor Abrieb durch nicht wasserlösliche oder aggressive Bestandteile des Kondensats) geschützt werden.
Günstig ist es auch, wenn die Verbrennungskraftmaschine ein Zufuhrluftsystem mit einem Niedrigdruck- und einem Hochdruckteil aufweist, dass dann die Abscheideeinheit mit einer Mischeinheit verbunden ist, um ein durch die Abscheideeinheit gereinigtes Abgas oder ein Teil des Kondensats der Zufuhrluft zuzuführen, die den hohen Druck aufweist. In diesem Fall kann die Korrosion von Teilen der Verbrennungskraftmaschine verhindert werden, wobei die günstigen Eigenschaften der Abgasrückführung in die Zufuhrluft der Verbrennungskraftmaschine trotzdem genutzt werden können.
Auch kann das System eine Reinigungseinheit als Korrosionsschutzeinheit gegen eine Korrosion der Verbrennungskraftmaschine durch Bestandteile des Abgases aufweisen, wobei die Reinigungseinheit die Abscheideeinheit umfasst und wobei die Reinigungseinheit ausgebildet ist, um zumindest eine Säure, die aus zumindest einem Teil des Abgases des Hochdruckteils des Abgassystems stammt, durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial zu binden, um ein gereinigtes Abgas zu erhalten und das gereinigte Abgas zumindest teilweise einer Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass die aggressiven Substanzen vor einer Wiedereinleitung des Abgases in den Motor neutralisiert werden. Durch die in dem Abscheider gekühlten Abgase (unter den Kondensationspunkt der schädlichen Stoffe) lässt sich ferner eine sehr tiefe Abkühlung der zugeführen Zufuhrluft sowie eine niedrige Saugrohrtemperaturen realisieren, wodurch sich in Folge niedrige NO_x- und gute Verbrauchswerte auch bei Motoren mit einem für die Niedertemperatur-Abgasrückführungskühlung nicht optimierten Werkstoffkonzept realisieren lassen. Die Anordnung der Reinigungseinheit auf der Hochdruckseite hat ferner günstige Auswirkungen bei der Zufuhr (eines Teil) des Kondensats bzw. des gereinigten Abgases in die Hochdruck-seitige Zufuhrluft, da in diesem Fall ebenfalls kein hoher Druckverlust zwischen der Zufuhrluft und dem Abgas bzw. Kondensat zu befürchten ist oder eine zusätzliche Druckerhöhung des Kondensats mittels einer Pumpe nicht unbedingt erforderlich sein muss.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann die Reinigungseinheit ein Opfermaterial umfassen, welches im Betrieb der Korrosionsschutzvorrichtung verbraucht wird. Hierdurch ist auf technisch einfache und kostengünstige Weise sichergestellt, dass die schädlichen Stoffe im Abgas vor einer Zufuhr des Abgases bzw. eines Kondensats auf dem Abgas in die Verbrennungskraftmaschine neutralisiert werden. Das Opfermaterial kann in einer Menge vorgesehen werden, dass ein Austausch im Betrieb lediglich sehr selten zu erfolgen hat.
Auch kann die Reinigungseinheit ausgebildet sein, um durch die Reaktion der Säure mit dem Opfermaterial ein wasserunlösliches oder schwer wasserlösliches Korrosionsprodukt zu bilden. Dies ermöglicht einen technisch sehr einfachen und kostengünstig zu implementierenden Ansatz zur Trennung der schädlichen Stoffe in dem Abgas von dem (wässrigen) Kondensat.
Besonders günstig ist es, wenn die Reinigungseinheit Aluminium als Opfermaterial für die Reaktion mit der im Abgas enthaltenen Säure umfasst, da hierdurch die Abscheidung von schädlichen Substanzen im Abgas durch ein kostengünstig verfügbares Material möglich wird.
Sehr einfach lassen sich auch die nicht wasserlöslichen oder schwer wasserlöslichen Substanzen aus dem Kondensat extrahieren, wenn ein Filter verwendet wird, welches ausgebildet sein kann, um diese nicht-wasserlösliche Substanzen aus dem Kondensat herauszufiltern. Dieses Filter liefert ein Kondensat mit einem sehr hohen Reinheitsgrad welches nachfolgend wieder dem Abgas bzw. der Zufuhrluft zugeführt werden kann, ohne Korrosionen in der Verbrennungskraftmaschine zu verursachen. Ferner kann das Filter auf einem technisch einfach umsetzbaren physikalischen Prinzip wie einer Sedimentation der schwer löslichen Substanzen in dem wässrigen Konzentrat basieren.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Reinigungseinheit ferner eine im Kondensatfluss dem Filter nachgelagerten Pumpe umfassen, wobei die Pumpe ausgebildet sein kann, um das gefilterte Kondensat dem gereinigten Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems oder der Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung der Pumpe möglichst geringe Druckverluste in der Zufuhrluft beim Zuführen des Kondensats in den Hochdruckteil des Zufuhrluftsystems auftreten, wobei sich solche Druckverluste der Ladeluft bzw. Zufuhrluft nachteilig auf die Verbrennungseigenschaften bei einer Kraftstoffverbrennung in der Kraftstoffmaschine auswirken würden.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Reinigungseinheit eine Venturi-Düse aufweisen, um das gereinigte Kondensat dem Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems oder der Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Geschwindigkeitserhöhung des Zufuhrluftstroms eine weitere Abkühlung dieser Luft eintritt, die sich positiv auf die Verbrennungseigenschaften in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Zugleich kann jedoch auch das Injektorprinzip bei der Zufuhr des Kondensats genutzt werden, so dass das Kondensat bereits durch diesen physikalischen Effekt auch bei Ausfall einer evtl. verwendeten Pumpe sicher dem gereinigten Abgas bzw. der Zufuhrluft beigemengt werden kann.
Um eine im Abgas enthaltene Wärme weiterverwenden zu können, kann auch die Abscheideeinheit oder die Reinigungseinheit als Wärmetauscher ausgebildet sein, um zumindest einen Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine abzukühlen. Die getauschte Wärme kann dann für weitere Zwecke wie beispielswiese eine Heizung einer Fahrgastzelle eines von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs verwendet werden. Auch kann in diesem Fall eine Kombination aus Kühlung des Abgases (oder zumindest eines Teils davon) und einer Reinigung des Abgases (beispielweise durch ein Vorsehen des Opfermaterials in der als Kühlelement ausgebildeten Reinigungseinheit) in einem kombinierten Element erreicht werden, was sich kostensenkend auf das herzustellende Gesamtsystem auswirkt.
Wenn im Hochdruckteil des Abgassystems zumindest eine Kühleinheit enthalten ist, kann es auch vorteilhaft sein, dass die Abscheideeinheit oder die Reinigungseinheit im Abgasfluss der Kühleinheit nachgelagert ist oder zumindest teilweise in der Kühleinheit angeordnet ist. In diesem Fall kann (beispielsweise durch die Reinigung) eine zusätzliche Kühlung des Abgases erreicht werden, welches der Zufuhrluft zugeführt werden soll, so dass hierdurch eine nochmalige Verbesserung der Verbrennungseigenschaften in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kühleinheit im Hochdruckteil des Abgassystems eine Hochtemperatur- und eine Niedrigtemperaturkühleinheit umfasst, kann die Abscheideeinheit oder die Reinigungseinheit in der Niedrigtemperaturkühleinheit angeordnet sein oder der Niedrigtemperaturkühleinheit im Abgasfluss nachgelagert angeordnet sein. Dies stellt sicher, dass günstigerweise die Reinigung des Abgases mit der niedrigsten verfügbaren Abgastemperatur erfolgt, so dass einerseits die Säure nicht zu reaktiv ist und das Opfermaterial zu schnell aufbraucht und andererseits die Zufuhrluft der Verbrennungskraftmaschine mit einem möglichst kalten Kondensat bzw. einem möglich ist kalten gereinigten Abgas gespeist werden kann, wodurch sich ein optimales Verbrennungsverhalten in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine ergibt.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Abscheideeinheit oder die Reinigungseinheit eine der Kühleinheit im Abgasfluss nachgelagerte separate Neutralisationseinheit umfassen, die ausgebildet ist, um die Säure aus dem Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial zu binden. Hierdurch kann die separate Neutralisationseinheit gegebenenfalls ersetzt werden, wenn ein beispielsweise das Opfermaterial verbraucht ist. Der Ersatz einer separaten Neutralisationseinheit gegenüber einer komplexeren Abscheide-/Neutralisations-/Filtereinheit hat insbe sondere in finanzieller Hinsicht Vorteile, da lediglich eine kleinere und weniger komplexe (und daher meist günstigere) Einheit auszutauschen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abscheideeinheit oder die Reinigungseinheit ausgebildet ist, um das Kondensat zumindest teilweise erst in zumindest einem Verbrennungszylinder der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in jedem Verbrennungszylinder der Verbrennungskraftmaschine der Zufuhrluft, die den hohen Druck aufweist, zuzuführen. Dies bietet den Vorteil, dass die Verbrennungseigenschaften in den einzelnen Zylindern durch eine separate Zufuhr von Zufuhrluft und gereinigtem Kondensat einzeln eingestellt werden können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung von Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine wobei ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusammen mit der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und deren Anordnung zu einer Komponente der Verbrennungskraftmaschine;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und deren Anordnung zu einer Komponente der Verbrennungskraftmaschine;
4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und deren Anordnung zu einer Komponente der Verbrennungskraftmaschine; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
Gleiche oder ähnliche Elemente werden in den nachfolgenden Figuren der Zeichnungen mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden können oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend näher beschrieben sind, kann das entstehende Kondensat direkt nach dem Abgaskühler abgeschieden und vom Motor fern gehalten werden. Hierfür kann bei der der Hochdruck-AGR das natürliche Druckgefälle zwischen Abgaskühler und Abgasstrang benutzt werden. Ferner lassen sich die im Kondensat vorhandenen Säuren neutralisieren; entweder direkt im Kühler oder anschließend. Das verbleibende Wasser könnte in einem Filter von (Korrosions-)Partikeln gereinigt werden und wird anschließend dem Abgas wieder zugeführt. So bleiben die positiven Eigenschaften des Kondensats erhalten (d. h. eine Reinigung des AGR-Kühlers oder eine Absenkung der Saugrohr- und/oder Zylindertemperatur).
1 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Zufuhrlufteinlass 12, über den Zufuhrluft einem Turbolader 14 zugeführt wird. Der Turbolader 14 verdichtet die angesaugte Zufuhrluft und stellt somit ein Trennelement zwischen einem Niedrigdruckteil 13 und einem Hochdruckteil 15 eines Zufuhrluftsystems der Verbrennungskraftmaschine 10 dar. Die verdichtete Lade- bzw. Zufuhrluft wird im Hochdruckteil 15 nachfolgend einer Hochdruck-Kühlereinheit 16 (HP-CAC = high pressure charge air cooler = Hochdruck-Ladeluftkühler) zugeführt, die die verdichtete Ladeluft (= Zufuhrluft) kühlt, um durch eine möglichst kalte Ladeluft optimale Verbrennungseigenschaften bei einer Kraftstoffverbrennung in einem Motorblock 18 zu erreichen. Die durch die Hochdruck-Kühlereinheit 16 gekühlte Zufuhrluft wird dann (zumindest teilweise) mit einem gereinigten Kondensat (insbesondere Wasser aus dem Kondensat) des Abgases des Motorblocks 18 (oder mit dem gereinigten Abgas selbst) durch eine Mischeinheit 20 vermischt und die gekühlte und mit Kondensat bzw. Abgas vermischte Zufuhrluft in den Motorblock 18 geleitet, in dessen Zylindern 22 die Verbrennung von Kraftstoff mit der (angereicherten) Zufuhrluft ausgeführt wird. Durch die gekühlte Zufuhr- bzw. Ladeluft sowie die weitere Abkühlung durch das zugeführte Wasser bzw. das Kondensat kann somit eine Verringerung der Verbrennungstemperatur in den Zylindern 22 des Motorblocks 18 erreicht werden, was beispielsweise in einer geringen NOx-Konzentration in dem Abgas aus den Zylindern 22 des Motorblocks 18 resultiert.
Nach der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern 22 des Motorblocks 18 wird zumindest ein Teil des durch die Verbrennung entstandenen Abgases einer Antriebsturbine des Turboladers 14 zugeführt und hierin entspannt um den Turbolader 14 anzutreiben. Nach einem Durchströmen des Turboladers 14 wird das Abgas einer Abgasnachbehandlungseinheit 24 (beispielsweise einem Katalysator oder einem Rußpartikel-Filter) zugeführt und anschließend in die Umwelt freigesetzt. Der Turbolader 14 wirkt somit auch als Trennelement zwischen einem Hochdruckteil 26 und einem Niedrigdruckteil 28 eines Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine 10.
Ein anderer Teil des Abgases aus den Zylindern 22 des Motorblocks 18 wird über ein einstellbares Abgasrückführventil bzw. Bypass-Ventil 29 hochdruckseitig dem Abgasstrang entnommen und einer Hochtemperatur-Abgasrückführungskühleinheit 30 (HT-EGRC = high temperature exhaust gas recirculation cooler = Hochtemperatur-Abgaszirkulationskühlereinheit) zugeführt, die ausgebildet ist, um die sehr heißen Abgase aus den Zylindern 22 des Motorblocks 18 zu kühlen. Das gekühlte Abgas wird nachfolgend einer Niedertemperatur-Abgasrückführungskühleinheit 32 (LT-EGRC = low temperature exhaust gas recirculation cooler = Niedertemperatur-Abgaszirkulationskühlereinheit) zugeführt, die eine weitere Abkühlung des Abgases aus den Zylindern 22 des Mo torblocks 18 sicherstellt, um eine möglichst niedrige Temperatur der Zufuhrluft nach der Beimischung des Abgases bzw. eines Kondensats aus dem Abgas in die Zufuhrluft zu gewährleisten. Die Trennung zwischen Hochtemperatur-Kühlereinheit 30 und Niedertemperatur-Kühlereinheit 32 weist dabei einen besseren Kühleffekt auf, als eine einzige Kühleinheit, da durch getrennte Bauteile eine Wärmeleitung in der Kühlereinheit verhindert werden kann und somit eine kältere nachfolgende (Niedertemperatur-)Kühlereinheit zur weiteren Abkühlung der Abgase bereitgestellt werden kann. Auch können die Hochtemperatur-Abgasrückführungskühleinheit 30 und/oder die Niedertemperatur-Abgasrückführungskühleinheit 32 als Wärmetauscher implementiert sein, um die Wärme des Abgases für weitere Zwecke wie beispielswiese einer Heizfunktion einsetzen zu können.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Abgasfluss ferner nach der Niedertemperatur-Abgasrückführungskühleinheit 32 ein Abscheider 34 angeordnet, der ausgebildet ist, um ein Kondensat aus dem Abgas auszuscheiden. Das Kondensat, welches die schädlichen und korrosiven Bestandteile wie Säurepartikel enthält, kann über die Entsorgungsleitung 36 direkt nach der Abgasnachbehandlungseinheit 24 in den Niederdruckteil 28 des Abgassystems eingeleitet und hierdurch (beispielsweise über einen Auspuff) entsorgt werden. Durch die Einleitung des Kondensats, welches im Hochdruckteil 26 des Abgassystems abgeschieden wird, in den Niederdruckteil 28 des Abgassystems lässt sich ferner durch das Druckgefälle der Einsatz einer Pumpe zur Förderung des Kondensats in die Ausleitungsstelle vermeiden.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel lässt sich somit folgendermaßen zusammenfassen: Das Kondensat wird nach dem Niedertemperaturabgaskühler 32 über einen Kondensatabscheider 34 entnommen. Von dort wird es über eine Leitung 36 in den heißen Abgasstrang geleitet und dort mit dem Abgasstrom des Motors 18 vermischt. Die Zuleitung erfolgt sinnvollerweise nach der Turbine 14, d. h. auf möglichst niedrigem Druckniveau. Um Korrosion in den teuren Bauteilen der Abgasnachbehandlung 24 zu vermeiden, ist eventuell eine Einleitung nach dem Abgasnachbehandlungssystem 24 sinnvoll. Die Druckdifferenz zwischen der AGR-Leitung im Hochdruckteil 26 des Abgassystems (bis 7 bar) und des Niederdruckteils 28 des Abgassystems, in dem die Abgasanlage 24 angeordnet ist (ca. 1 bar), reicht in der Regel aus die abgeschiedenen Kondensatmengen zu entsorgen ohne dass eine Pumpe benötigt wird.
In den weiteren 2 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, die zusätzlich oder alternativ zu der in 1 abgebildeten Abscheideeinheit 34 an einer analogen Stelle verwendet werden können. Die in den 2 bis 4 abgebildeten Abscheideeinheiten entsprechen dabei jeweil der in 1 dargestellten Abscheideeinheit 34. Die in den 2 bis 4 dargestellte Anordnung von Komponenten kann auch jeweils als ein kompakter Wärmetauscher in einer Einheit ausgebildet sein, dessen Komponenten evtl. direkt austauschbar sind.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und deren Anordnung zu einer Komponente der Verbrennungskraftmaschine wiedergegeben. Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Niedertemperaturabgaskühler 32 aus Aluminium ausgeführt, so dass es aufgrund des im Niedertemperaturabgaskühler 32 ausfallenden Kondensats zu einem korrosiven Angriff auf das Aluminium des Niedertemperaturabgaskühlers 32 kommt. Dadurch werden die im Abgas enthaltenen Säuren neutralisiert. Das entstehende Kondensat besteht jetzt im Wesentlichen aus Wasser, enthält aber auch Korrosionsprodukte (z. B. Aluminiumsulfat). Das Kondensat kann somit dem Motor zugeführt werden ohne dort Korrosion zu verursachen. Falls notwendig lassen sich die Korrosionsprodukte aus dem Kondensat entfernen, indem das Kondensat nachdem Niedertemperaturabgaskühlers 32 in einem Kondensatabscheider 34 abgeschieden wird, anschließend durch einen Filter 38 geleitet (und somit gereinigt) und dann dem rückgeführten Abgas bzw. der Zufuhrluft (die einen hohen Druck aufweist) wieder über eine Mischeinheit 20 bzw. eine Venturi-Düse 42 beigemischt wird. Der Transport durch den Filter kann entweder mit einer Pumpe 40 und/oder mittels eines an der Zumischstelle des Kondensats zum Gasstrom (aus Zufuhrluft und/oder Abgas) angeordneten Venturisystems 42 (bzw. einer in 2 nicht dargestellten Mischeinheit 20) erfolgen.
Ferner kann der Niedertemperaturabgaskühler 32 aus Edelstahl ausgeführt werden, so dass die Neutralisation des Kondensats erst nach dem Kühler erfolgen kann. Hier gibt es zwei Möglichkeiten, wobei eine erste Möglichkeit in dem Ausführungsbeispiel nach 3 als schematische Darstellung wiedergegeben ist. In diesem Fall wird ein „Opfer”-Bauteil als Neutralisator 44 verwendet und direkt nach dem Niedertemperaturabgaskühler 32 verbaut. Danach wird mit dem Kondensat verfahren wie bereits vorstehend beschrieben. Das Opferbauteil bzw. der Neutralisator 44 kann entweder im Abgaskühleraustritt oder nachdem Niedertemperaturabgaskühler 32 angeordnet werden.
Ferner kann in der zweiten möglichen Ausführungsform unter Verwendung eines Edelstahlkühlers 32 (wie sie in 4 dargestellt ist) das Kondensat in einem Abscheider 34 abgeschieden und in einem separaten Bauteil 44 neutralisiert werden; danach wird es wieder dem Strom des rückgeführten Abgases (bzw. der Zufuhrluft) zugemischt. Auch hier ist es eventuell sinnvoll, wie vorstehend beschrieben, das Kondensat nach der Neutralisation zu filtern, um eventuell schädliche Korrosionsprodukte zu entfernen. Es ist vorteilhaft wenn der Stoff, der zur Neutralisation eingesetzt wird, wasserunlösliche bzw. schwerlösliche Korrosionsprodukte erzeugt, da diese sich besser in einem Filter abscheiden lassen.
In einem alternativen oder weitergehenden Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Zumischung des wiedereinzuleitenden Kondensats in die Ladeluft oder ins Saugrohr (nach Mischung Ladeluft- und Abgas) anstelle ins rückgeführte Abgas oder zylinderselektiv, d. h. eine Zumischstelle pro Zylinder erfolgen, so dass sich eine gute Gleichverteilung des gemischten Zufuhrluft-Abgasgemisches ergibt.
Durch den vorstehend beschriebenen Ansatz lässt sich die Behandlung des Kondensats auch für bei einer Niedertemperaturabgaskühlung in Bereichen betreiben, in denen viel Kondensat anfällt und es eventuell zu Korrosionserscheinungen kommen kann. Durch die damit mögliche sehr tiefe Abkühlung ergeben sich niedrige Saugrohrtemperaturen. In Folge dessen lassen sich niedrige NOx- und gute Verbrauchswerte auch auf Motoren mit einem für die NT-AGR-Kühlung nicht optimierten Werkstoffkonzept realisieren.
In 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren wiedergegeben. Das Ablaufdiagramm betrifft ein Verfahren 50 zum Schutz eine Verbrennungskraftmaschine 10 gegen Korrosion, wobei die Verbrennungskraftmaschine 10 ein Zufuhrluftsystem mit einem Niedrigdruck- 13 und einem Hochdruckteil 15 sowie ein Abgassystem mit einem Hochdruck- 26 und einem Niederdruckteil 28 aufweist. Das Verfahren 50 umfasst einen Schritt des Entnehmens 52 von Abgas aus dem Hochdruckteil 26 des Abgassystems sowie einen Schritt des Abscheidens 54 eines Kondensats aus dem entnommenen Abgas. Ferner umfasst das Verfahren 50 einen Schritt des Einleitens 56 zumindest eines Teils des Kondensats in den Niederdruckteil 28 des Abgassystems. In einem parallelen bzw. zusätzlichen Verarbeitungspfad weist das Verfahren 50 einen Schritt des Bindens 58 von zumindest einer Säure aus dem Abgas des Hochdruckteils 26 des Abgassystems durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial auf, um ein gereinigtes Abgas zu erhalten. Hieran anschließend weist das Verfahren 50 einen Schritt des zumindest teilweisen Zuführens 60 des gereinigten Abgases zu einer Zufuhrluft auf, die einen hohen Druck aufweist.

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zufuhrlufteinlass
13: Niederdruckteil des Zufuhrluftsystems
14: Turbolader
15: Hochdruckteil des Zufuhrluftsystems
16: Hochdruck-Ladeluftkühler
18: Motorblock
20: Mischeinheit
22: Zylinder
24: Abgasnachbehandlungseinheit
26: Hochdruckteil des Abgassystems
28: Niederdruckteil des Abgassystems
29: Abgasrückführventil, Bypass-Ventil
30: Hochtemperatur-Abgasrückführungskühleinheit, Wärmetauscher
32: Niedertemperatur-Abgasrückführungskühleinheit, Wärmetauscher
34: (Kondensat-)Abscheider, Abscheideeinheit
36: Entsorgungsleitung
38: Filter
40: Pumpe
42: Venturisystem
44: Neutralisator
50: Verfahren zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
52: Schritt des Entnehmens von Abgas aus dem Hochdruckteil des Abgassystems
54: Schritt des Abscheidens eines Kondensats aus dem entnommenen Abgas
56: Schritt des Einleitens zumindest eines Teils des Kondensats in den Nieder-druckteil des Abgassystems
58: Schritt des Bindens von zumindest einer Säure, die aus dem Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems stammt durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial, um ein gereinigtes Abgas zu erhalten
60: Schritt des zumindest teilweisen Zuführens des gereinigten Abgases zu einer Zufuhrluft des Zufuhrluftsystems, die einen hohen Druck aufweist

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2001045090 A1 [0003, 0003, 0003, 0003]

Claims

System (34, 36, 38, 40, 42, 44) zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (10), wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Abgassystem mit einem Hochdruck- (26) und einem Niederdruckteil (28) aufweist, wobei das System (34, 36, 38, 40, 42, 44) eine Abscheideeinheit (34) aufweist, die ausgebildet ist, um aus einem Abgas des Hochdruckteils (26) des Abgassystems ein Kondensat abzuscheiden und das Kondensat über eine Entsorgungsleitung (36) in den Niederdruckteil (28) des Abgassystems einzuleiten.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Abgassystem eine Abgasbehandlungseinheit (24) im Niederdruckteil (28) des Abgassystems aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entsorgungsleitung (36) ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des Kondensats an einer Stelle in den Niederdruckteil (28) des Abgassystems einzuleiten, die sich im Abgasfluss nach der Abgasbehandlungseinheit (24) befindet.
System gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Zufuhrluftsystem mit einem Niedrigdruck- (13) und einem Hochdruckteil (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) mit einer Mischeinheit (20) verbunden ist, um ein durch die Abscheideeinheit (34) gereinigtes Abgas oder ein Teil des Kondensats der Zufuhrluft zuzuführen, die den hohen Druck aufweist.
System gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) als Korrosionsschutzeinheit gegen eine Korrosion der Verbrennungskraftmaschine (10) durch Bestandteile des Abgases aufweist, wobei die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) die Abscheideeinheit (34) umfasst und wobei die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) ausgebildet ist, um zumindest eine Säure, die aus zumindest einem Teil des Abgases des Hochdruckteils (26) des Abgassystems stammt, durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial zu binden, um ein gereinigtes Abgas zu erhalten und das gereinigte Abgas zumindest teilweise einer Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen.
System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (32, 38, 40, 42, 44) ein Opfermaterial umfasst, welches im Betrieb des Systems Korrosionsschutzvorrichtung (34, 36, 38, 40, 42, 44) verbraucht wird.
System gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) ausgebildet ist, um durch die Reaktion der Säure mit dem Opfermaterial ein wasserunlösliches oder schwer wasserlösliches Korrosionsprodukt zu bilden.
System gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) Aluminium als Opfermaterial für die Reaktion mit der im Abgas enthaltenen Säure umfasst.
System gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) ferner ein Filter (38) aufweist, welches ausgebildet ist, um wasserunlösliche oder schwer wasserlösliche Substanzen aus dem Kondensat herauszufiltern.
System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (38, 40, 42, 44) ferner eine im Kondensatfluss dem Filter (38) nachgelagerten Pumpe (40) umfasst, wobei die Pumpe (40) ausgebildet ist, um das gefilterte Kondensat dem gereinigten Abgas des Hochdruck teils (26) des Abgassystems oder der Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen.
System gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) eine Venturi-Düse (42) aufweist, um das gereinigte Kondensat dem Abgas des Hochdruckteils (26) des Abgassystems oder der Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist, zuzuführen.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) oder die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) als Wärmetauscher ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (10) abzukühlen.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei im Hochdruckteil (26) des Abgassystems zumindest eine Kühleinheit (30, 32) enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) oder die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) im Abgasfluss der Kühleinheit (30, 32) nachgelagert ist oder zumindest teilweise in der Kühleinheit (32) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 12, wobei die Kühleinheit (30, 32) im Hochdruckteil (26) des Abgassystems eine Hochtemperatur- (30) und eine Niedrigtemperaturkühleinheit (32) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) oder die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) in der Niedrigtemperaturkühleinheit (32) angeordnet ist oder der Niedrigtemperaturkühleinheit (32) im Abgasfluss nachgelagert angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) oder die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) eine der Kühleinheit (32) im Abgasfluss nachgelagerte separate Neutralisationseinheit (44) umfasst, die ausgebildet ist, um die Säure aus zumindest einem Teil des Abgases des Hochdruckteils (26) des Abgassystems durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial zu binden.
System gemäß einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinheit (34) oder die Reinigungseinheit (34, 38, 40, 42, 44) ausgebildet ist, um das Kondensat zumindest teilweise erst in zumindest einem Verbrennungszylinder (22) der Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere in jedem Verbrennungszylinder (22) der Verbrennungskraftmaschine (10) der Zufuhrluft, die den hohen Druck aufweist, zuzuführen.
Wärmetauscher (30, 32, 34, 36) zur Aufnahme eines Abgases aus einem Hochdruckteil (26) eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine (10), wobei der Wärmetauscher (30, 32, 34) ausgebildet ist, um das aus der Verbrennungskraftmaschine aufgenommene Abgas abzukühlen, ein Kondensat daraus zu extrahieren und das Kondensat zumindest teilweise einem Niederdruckteil (26) des Abgassystems zuzuführen.
Verfahren (50) zur Rückführung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (10), wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Abgassystem mit einem Hochdruck- (26) und einem Niederdruckteil (28) aufweist, wobei das Verfahren (50) die folgenden Schritte umfasst: – Entnehmen (52) von Abgas aus dem Hochdruckteil (26) des Abgassystems; – Abscheiden (54) eines Kondensats aus dem entnommenen Abgas; und – Einleiten (56) zumindest eines Teils des Kondensats in den Niederdruckteil des Abgassystems.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) ein Zufuhrluftsystem mit einem Niedrigdruck- (13) und einem Hoch druckteil (15) aufweist und wobei das Verfahren ferner die weiteren Schritte umfasst: – Binden (58) von zumindest einer Säure aus dem entnommenen Abgas des Hochdruckteils (26) des Abgassystems durch eine Reaktion mit einem Opfermaterial, um ein gereinigtes Abgas zu erhalten; und – zumindest teilweises Zuführen (60) des gereinigten Abgases zu einer Zufuhrluft, die einen hohen Druck aufweist.