DE102008048133B4

DE102008048133B4 - Vorrichtung zur Abgasführung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008048133B4
Application number: DE102008048133.5A
Authority: DE
Inventors: Norbert Schatz
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2008-09-20
Filing date: 2008-09-20
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2028-09-21
Also published as: DE102008048133A1

Abstract

Vorrichtung zur Abgasführung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, einer Abgasrückführleitung (20) zwischen dem Abgassystem und dem Ansaugsystem, wenigstens einem Abgasturbolader (8, 10) zur Aufladung der Verbrennungsluft, und einem in die Abgasrückführleitung (20) eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher (24) als Kühleinrichtung, der über einen Kühlluft-Verdichter (27) mit Kühlluft beaufschlagt ist, wobei der Kühlluft-Verdichter (27) mittels einer Kühlluft-Turbine (22) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) in einer stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers (8, 10) von einer Abgasleitung (14) abzweigenden Abzweigleitung (26), die Bestandteil des Abgassystems zum Abführen der Abgase bildet, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasführung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung beschreibt die DE 10 028 608 A1 bei der bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader im Abgassystem ein weiterer, in dem gesamten Abgasstrom eingeschalteter Abgasturbolader nachgeschaltet ist, dessen Verdichter neben seiner eigentlichen Auflagefunktion gleichzeitig auch als Kühlluft-Verdichter fungiert und Kühlluft für einen in eine Abgasrückführleitung eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher fördert. Da eine effiziente Abgasrückführung nicht in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine erforderlich ist, erfolgt eine Kühlluftförderung auch dann, wenn das Steuerventil für die Abgasrückführung geschlossen ist; ferner ist das Schluckvermögen der Abgasturbine auf den gesamten Abgasstrom auszulegen.
Aus der US 6 324 846 B1 ist eine Abgasrückführvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt.
Die DE 10 2005 042 396 A1 zeigt ein Kühlsystem für ein Fahrzeug.
Die DE 695 25 773 T2 beschreibt eine Anordnung zur Abgasrückführung in Brennkraftmaschinen mit parallel geschalteten Turbinen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abgasführung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der bei einer baulich günstigen Auslegung eine noch wirkungsvollere Kühlung des rückgeführten Abgases erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Kühlluft-Verdichter mittels einer Kühlluft-Turbine angetrieben ist, die in einer stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers von einer Abgasleitung abzweigenden Abzweigleitung angeordnet ist, wobei diese Abzweigleitung Bestandteil des Abgasstrangs bzw. Abgassystems zum Abführen der Abgase bildet. Das heißt, dass diese Abzweigleitung gerade keine Abgasrückführleitung sein soll, sondern entweder eine separate, zusätzliche Abgasleitung des Abgassystems zum Abführen von Abgas ist oder aber die Abzweigleitung an vorgegebener Stelle wieder in diejenige Abgasleitung mündet, von der die Abzweigleitung abgezweigt worden ist.
Mit einer derartigen Integration einer Kühlluft-Turbine, insbesondere einer Turbine eines zusätzlich zu den zur Aufladung verwendeten Abgasturboladern vorgesehenen Abgasturboladers, in einer Abgas-Teilstromleitung wird ein funktionssicherer Aufbau zur Verfügung gestellt, bei dem der Kühlluft-Verdichter zuverlässig und strömungstechnisch optimiert als Luftpumpe arbeitet.
Der Kühlluft-Verdichter ist hier bevorzugt ebenfalls durch einen separaten Verdichter gebildet, der insbesondere nicht Bestandteil der ggf. für die Aufladung verwendeten Abgasturbolader sein soll.
Insbesondere in Verbindung mit einer in der Abzweigleitung angeordneten Steuereinrichtung, z. B. einem Steuerventil oder dergleichen, kann sichergestellt werden, dass die Turbine immer nur dann beaufschlagt wird, wenn eine Kühlung der Abgase in der Abgasrückführleitung in nennenswertem Umfang erfolgen kann.
Bevorzugt ist die Kühlluft-Turbine stromab des Steuerventiles in der Abzweigleitung angeordnet, wodurch z. B. störende Druckschwankungen stromab der Turbine die Funktion des Steuerventiles nicht beeinträchtigen können.
Weiter bevorzugt durchströmt der die Abzweigleitung durchströmende Abgasstrom vor seinem Auslass in die Umgebung eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere eine Katalysatoranordnung des Abgassystems, um eine gewünschte effektive Reinigung des Teilabgasstromes zu ermöglichen.
Für den Fall, dass die Abzweigleitung wieder in diejenige Abgasleitung mündet, von der die Abzweigleitung abgezweigt worden ist, ist bevorzugt vorgesehen, diese Einmündung stromab des wenigstens einen Abgasturboladers vorzusehen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Kühlluft-Verdichter und die Kühlluft-Turbine zu einem Kühlluft-Turbolader, insbesondere zu einer zusätzlich zu den Auflader-Abgasturboladereinrichtungen vorgesehenen Turboladereinrichtung, zusammengefasst bzw. zusammengebaut sind. Dies ergibt einen kompakten Aufbau.
Des Weiteren kann die aus dem Wärmetauscher abströmende, erwärmte bzw. heiße Kühlluft in vorteilhafter Weise dem Abgassystem, insbesondere stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung zugeführt werden und somit durch entsprechende Wärme- und Sauerstoffzufuhr gegebenenfalls ablaufende katalytische Prozesse unterstützt werden.
Weiter kann bevorzugt die von dem Verdichter angesaugte Kühlluft einer Verbrennungsluft führenden Leitung, insbesondere stromab eines Filtersystems entnommen werden, wodurch in baulich einfacher Weise eine Filterung der angesaugten Kühlluft erfolgen kann.
Zur Erzielung einer noch wirksameren Kühlung des rückgeführten Abgases kann dem Abgas-Luft-Wärmetauscher ein weiterer Wärmetauscher, insbesondere ein Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher nachgeschaltet sein, der in bevorzugter Weise an ein Niedertemperatur-Kühlsystem der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Dabei kann das Kühlwasser entweder an einer besonders kühlen Stelle des regulären Kühlsystems abgezweigt sein, z. B. vom Motor-Kühlsystem, oder es kann ein zweiter Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen sein.
Schließlich können in dem Abgassystem der Brennkraftmaschine auch mehrere, bevorzugt zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader zur Erzielung einer zweistufigen Aufladung vorgesehen sein. Die Abgasführleitung zweigt dabei bevorzugt stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers und/oder stromauf der zusätzlichen Abzweigleitung von dem Abgassystem ab.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die einzige Figur zeigt als Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugstrang bzw. Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgasstrang bzw. Abgassystem und einer Abgasturboaufladung sowie mit einer Vorrichtung zur Abgasrückführung.
In der 1 ist mit 1 eine Mehrzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann.
Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Ansaugsystem für Verbrennungsluft auf, das sich im Wesentlichen aus einer Ansaugleitung 2 mit einem Luftfilter 3, einer ersten und einer zweiten Ladedruckleitung 4, 5 und einem Saugrohrteil 6 zusammensetzt.
Die Verbrennungsluft wird dabei über einen ersten Verdichter 7 eines Abgasturboladers 8 vorverdichtet und mittels eines zweiten, in Reihe geschalteten Verdichters 9 eines zweiten Abgasturboladers 10 zum Ansaugverteiler 6 gefördert.
In die Ladedruckleitungen 4, 5 ist jeweils ein Ladeluftkühler 11, 12 eingeschaltet. Die Ladeluftkühler 11, 12 können in bekannter Weise Luft-Luft oder Luft- Wasser-Wärmetauscher und dementsprechend wie mit den Pfeilen angedeutet mit Kühlmedium beaufschlagt sein.
Die Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt und kann ebenfalls bekannter Bauart sein.
Das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgaskrümmer 13 auf, von dem zumindest eine Abgassammelleitung 14 abzweigt. An die Abgassammelleitung 14 sind ebenfalls hintereinandergeschaltet eine Abgasturbine 15 und über eine weiterführende Abgasleitung 16 eine Abgasturbine 17 der beiden Abgasturbolader 8, 10 angeschlossen.
Sodann wird das Abgas dem weiteren Abgassystem mit einer Leitung 18 und einer ersten Abgasreinigungseinrichtung 19, z. B. einem Katalysator, einer Nachbrennvorrichtung, etc. des nicht weitere dargestellten Abgassystem des Nutz- und/oder Kraftfahrzeuges zugeführt.
Von der Abgassammelleitung 14 zweigt stromauf der beiden Abgasturbolader 8, 10 eine allgemein mit 20 bezeichnete Abgasrückführleitung ab, in die ein Abgasrückführ-Steuerventil 21, ein Abgas-Luft-Wärmetauscher 24 und optional ein zweiter Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher 25 eingeschaltet sind.
Die Abgasrückführleitung 20 mündet zur Rückführung des gekühlten Abgases der Brennkraftmaschine 1 in die Ladedruckleitung 5 des Ansaugsystems.
Stromab der Abgasrückführleitung 20 zweigt von der Abgassammelleitung 14 eine Abgas-Abzweigleitung 26 ab, in die ein Steuerventil 33, eine Kühlluft-Turbine 22 eines zusätzlichen Kühlluft-Turboladers 23 sowie eine Abgasreinigungsvorrichtung 31 eingeschaltet sind. Diese Abzweigleitung 26 bildet Bestandteil des Abgasstrangs bzw. -systems und kann entweder, wie hier gezeigt, einen separaten Abgaskanal bzw. eine separate Abgasleitung ausbilden oder alternativ auch an geeigneter, vorgegebener Stelle wieder in die z. B. Abgasleitung 18 einmünden, z. B. im Bereich vor der Abgasreinigungsvorrichtung 19.
Die Kühlluft-Turbine 22 des Kühlluft-Turboladers 23 treibt einen Kühlluft-Verdichter 27 des Kühlluft-Turboladers 23 an, der Kühlluft aus der Ansaugleitung 2 stromab des Luftfilters 3 über eine Leitung 28 ansaugt und unter einem definierten Förderdruck über eine weitere Leitung 29 dem ersten Wärmetauscher 24 zuführt.
Die sich im Wärmetauscher 24 erwärmende Kühlluft wird sodann bevorzugt über eine Kühlluftleitung 30 der Abgasleitung 18 im Bereich vor der Abgasreinigungsvorrichtung 19 des Abgassystems der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Nutzfahrzeuges zugeführt. Der Wärmetauscher 24 kann sowohl ein Gegenstrom- als auch ein Gleichstrom-Wärmetauscher sein.
Es sei bemerkt, dass das Abgassystem mit der Leitung 14 einflutig oder zweiflutig ausgebildet sein kann mit entsprechender, getrennter Leitungsführung. Die über die Kühlluftleitung 30 zugeführte Kühlluft kann sowohl der Abgasreinigungsvorrichtung 19 als auch der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 31 als auch beiden Abgasreinigungsvorrichtungen zugeführt werden.
Der Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher 25 kann in nicht dargestellter Weise an ein Niedertemperatur-Kühlsystem der wassergekühlten Brennkraftmaschine 1 angeschlossen sein. Dies kann ein separater Kühlkreislauf mit einer Förderpumpe und einem Nebenkühler und mit entsprechenden Kühlmittelleitungen sein.
Der Wärmetauscher 25 kann aber auch in das reguläre Kühlsystem der Brennkraftmaschine 1 eingeschaltet sein, wobei die nur angedeutete Zufuhrleitung 32 zum Wärmetauscher 25 an einer möglichst kühlen Stelle des Kühlsystems, z. B. unmittelbar am Austritt des Kühlwassers aus dem Wasserkühler, abzweigen sollte.
Wird über die nicht dargestellte Motorsteuerung, z. B. mittels eines elektronischen Motorsteuergerätes, das Steuerventil 33 geöffnet, so strömt Abgas aus der Abgassammelleitung 14 in die Abzweigleitung 26, wobei durch den anliegenden Gegendruck die Kühlluft-Turbine 22 des Kühlluft-Turboladers 23 angetrieben wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugleitung
3: Luftfilter
4: Ladedruckleitung
5: Ladedruckleitung
6: Saugrohrverteiler
7: Abgasturbine
8: Abgasturbolader
9: Abgasturbine
10: Abgasturbolader
11: Ladeluftkühler
12: Ladeluftkühler
13: Abgaskrümmer
14: Abgassammelleitung
15: Verdichter
16: Abgasleitung
17: Verdichter
18: Abgasleitung
19: Abgasreinigungsvorrichtung
20: Abgasrückführleitung
21: Steuerventil
22: Kühlluft-Turbine
23: Kühlluft-Turbolader
24: Abgas-Luft-Wärmetauscher
25: Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher
26: Abzweigleitung
27: Kühlluft-Verdichter
28: Leitung
29: Leitung
30: Kühlluftleitung
31: Abgasreinigungsvorrichtung
32: Kühlwasser-Zuführleitung
33: Steuerventil

Claims

Vorrichtung zur Abgasführung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, einer Abgasrückführleitung (20) zwischen dem Abgassystem und dem Ansaugsystem, wenigstens einem Abgasturbolader (8, 10) zur Aufladung der Verbrennungsluft, und einem in die Abgasrückführleitung (20) eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher (24) als Kühleinrichtung, der über einen Kühlluft-Verdichter (27) mit Kühlluft beaufschlagt ist, wobei der Kühlluft-Verdichter (27) mittels einer Kühlluft-Turbine (22) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) in einer stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers (8, 10) von einer Abgasleitung (14) abzweigenden Abzweigleitung (26), die Bestandteil des Abgassystems zum Abführen der Abgase bildet, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) stromab einer in die Abzweigleitung (26) eingeschalteten Steuereinrichtung, insbesondere eines Steuerventiles (33), angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) und der Kühlluft-Verdichter (27) zu einem Kühlluft-Turbolader (23) als zusätzliche Turboladereinrichtung zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Abzweigleitung (26) durchströmende Abgasstrom eine Abgasreinigungsvorrichtung (31) durchströmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (26) eine separate, zusätzliche Abgasleitung des Abgassystems zum Abführen von Abgas ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Abgas-Luft-Wärmetauscher (24) abströmende, erwärmte Kühlluft mittels einer Kühlluftleitung (30) einer Abgasleitung (18) des Abgassystems zugeführt wird, insbesondere einer Abgasleitung (18) stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung (19) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verdichter (27) angesaugte Kühlluft einer Verbrennungsluft führenden Leitung (2), insbesondere stromab eines Filtersystems (3) entnommen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (20) stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers (8, 10) und/oder stromauf der Abzweigleitung (26) von dem Abgassystem (14) abzweigt.