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Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführmodul für eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei Abgasrückführkanälen, zwei Regelventilkörpern, welche zwei in einem Abgasrückführgehäuse ausgebildete Durchströmungsquerschnitte der Abgasrückführkanäle beherrschen, zwei Abgaskühlkanälen, die in Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelkanal stehen, wobei jeder der zwei Abgasrückführkanäle fluidisch mit je einem der Abgaskühlkanälen verbunden sind, zwei Bypasskanälen, über die die Abgaskühlkanäle umgehbar sind und zwei Bypassventilen, welche jeweils über einen separaten Aktuator betätigbar sind und über die wahlweise der Durchströmungsquerschnitt zu den Bypasskanälen oder zu den Abgaskühlkanälen freigebbar oder verschließbar ist.
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Derartige Abgasrückführmodule sind bekannt und dienen in bekannter Weise zur Reduktion von Schadstoffemissionen. Zur schnelleren Aufheizung der Motoren wird das Abgas während der Warmlaufphase über Bypasskanäle dem Motor wieder zugeführt. Des Weiteren wird vermehrt eine Bypassierung der Kühler im niedrigen Lastbereich vorgenommen, da viele Abgasrückführkühler von turboaufgeladenen Motoren für einen hohen Kühllastpunkt ausgelegt sind, so dass eine Überkühlung folgen könnte.
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Um dies zu umgehen sind Kühlsysteme bekannt geworden, welche mehrere Kühler aufweisen, die einzeln über Bypassleitungen umgehbar sind, so dass ein möglichst optimaler Betriebspunkt gefahren werden kann. Insbesondere bei großvolumigen Motoren, in denen die Abgasrückführung häufig getrennt für einzelne Zylindergruppen durchgeführt wird, um eine ausreichend hohe Abgasrückführrate zu erzielen, können derartige Systeme Verwendung finden.
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So ist aus der
DE 10 2008 035 747 A1 eine Abgasrückführkühlung mit mehreren umgehbaren Kühlern bekannt, die in vielfältiger Weise miteinander verschaltet werden. Insbesondere sind hieraus Systeme mit zwei parallel geschalteten Abgasrückführkanälen bekannt, bei denen in jedem Kanal sowohl ein Kühler als auch ein Abgasrückführventil angeordnet sind. Vor dem Abgasrückführventil zweigt jeweils ein Bypasskanal ab, in dem ein Bypassventil angeordnet ist. In dieser Ausführung lassen sich sowohl die Abgasrückführventile als auch die Bypassventile jeweils einzeln schalten.
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Eine solche Ausführung benötigt jedoch einen großen Bauraum, da zwei vollständig getrennte Systeme mit eigenen Kühlern, Ventilen, Stellern, Kühlmittelkanälen und Abgasführungskanälen aufgebaut werden müssen. Dies führt zu einem hohen Bauteile- und Montageaufwand und somit zu hohen Herstellungskosten.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abgasrückführmodul zu schaffen, welches möglichst bauraumreduzierend ausgeführt ist, wobei die Anzahl der Bauteile und die Montageschritte sinken sollen. Insbesondere soll es möglich sein, das System vorzumontieren. Gleichzeitig soll eine möglichst gute Regelbarkeit erhalten bleiben.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
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Dadurch, dass die Bypassventile in einem gemeinsamen Abgasrückführgehäuse angeordnet sind, in dem die zwei getrennten Abgasrückführkanäle ausgebildet sind und von dem aus sich die Bypasskanäle und die Abgaskühlkanäle erstrecken, wird die Montage deutlich vereinfacht. Gleichzeitig sinkt die Anzahl der zu verwendenden Bauteile. Dennoch bleibt ein einzelnes Schalten der Bypasskanäle möglich, so dass eine Überkühlung verhindert werden kann.
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Vorzugsweise weisen die Bypassventile jeweils einen auf einer Welle angeordneten Klappenkörper auf, wobei die Wellen im Abgasrückführgehäuse gelagert sind. Die Verwendung von Klappen als Regelkörper ermöglicht die Regelung großer Volumenströme und Freigabe großer Querschnitte. Die Lagerung im Abgasrückführgehäuse verringert den Bauteileaufwand, wobei die Klappen vorab im Gehäuse montiert werden können.
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Vorteilhafterweise sind die Aktuatoren der Bypassventile pneumatisch betätigbar, wodurch der Regelungsaufwand reduziert wird. Des Weiteren weisen pneumatische Aktuatoren eine hohe Lebensdauer auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Abgaskühlkanäle in einem Wärmetauschergehäuse ausgebildet, an dem stromabwärts zwei Rückschlagventile angeordnet sind, in die die beiden Abgaskühlkanäle münden. Durch das gemeinsame Wärmetauschergehäuse kann auch ein gemeinsamer Kühlmittelkanal verwendet werden. Es entfallen zusätzliche Bauteile, wodurch Gewicht reduziert wird. Der zurückführbare Abgasmassenstrom wird durch die Rückschlagventile erhöht, da eine Rückströmung aufgrund von Pulsationen vermieden wird.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung münden die Bypasskanäle stromaufwärts der Rückschlagventile in die Abgaskühlkanäle. Hierdurch können die hohen Abgasrückführraten auch beim ungekühlt zurückgeführten Abgasstrom aufrecht erhalten werden, da Rückströmungen aufgrund von Pulsationen vermieden werden und keine Interferenzen in dem Bereich entstehen, in dem die Pulsationen mit Rückströmung gegebenenfalls noch vorhanden sind.
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Vorzugsweise ist im Abgasrückführgehäuse in beiden Abgasrückführkanälen jeweils eine Abgasrückführklappe als Regelventilkörper angeordnet, über welche die Durchströmungsquerschnitte der Abgasrückführkanäle regelbar sind, wobei die beiden Abgasrückführklappen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, die über einen gemeinsamen Aktuator betätigbar ist. Über diesen gemeinsamen Aktuator kann eine gesamt zurückzuführende Menge geregelt werden. Dabei bleiben die verschiedenen Zylindergruppen jedoch über die gesamte Laufstrecke getrennt. Da keine zusätzlichen Gehäuseteile verwendet werden müssen, bleibt der Aufbau mit wenigen und vorzumontierenden Teilen kompakt und mit geringem Aufwand montierbar.
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In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform ist das Abgasrückführgehäuse zweiteilig ausgebildet, wobei im zweiten flanschförmigen Teil die Lagerstellen der Welle der Abgasrückführklappen ausgebildet sind und im ersten Teil die Lagerstellen der Wellen der Bypassklappen ausgebildet sind, wobei an der stromaufwärtigen Seite des ersten Teils das zweite Teil des Abgasrückführgehäuses befestigt ist. So entsteht eine thermische Entkopplung zum anderen Abgasrückführgehäuseteil, an dem die Aktuatoren angebracht sind, so dass deren thermische Belastung verringert wird. Der Bauraumbedarf wird gering gehalten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmetauschergehäuse stromabwärts am Abgasrückführgehäuse befestigt und weist eine Trennwand auf, über die die beiden Abgaskanäle voneinander getrennt sind. So wird für die beiden Abgaskanäle neben dem gemeinsamen Außengehäuse auch die Trennwand als gemeinsame Wand genutzt. Mit der direkten Anordnung am Abgasrückführgehäuse führt dies zu einem kompakt aufgebauten und gewichtsreduzierten Modul.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung weist das Abgasrückführmodul einen Kühlmittelkanal auf, der sich durch das Wärmetauschergehäuse in das Abgasrückführgehäuse erstreckt, so dass auch das Abgasrückführgehäuse gekühlt ist, was einerseits den Gesamtkühlwirkungsgrad erhöht und andererseits die Aktuatoren zusätzlich vor Überhitzung schützt.
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Es wird somit ein Kühlmodul geschaffen, welches kompakt aufgebaut und einfach montierbar ist sowie vormontiert als Einheit in den Motor eingebaut werden kann. Die Anzahl der vorhandenen Schnittstellen und Bauteile ist minimiert. Dieses Modul eignet sich besonders zur Rückführung von Abgas in Verbrennungsmotoren mit hohem Gegendruck von der Lufteinlassseite, da auch bei diesen Bedingungen noch eine ausreichende Abgasmenge durch Nutzung der Druckspitzen der Abgasfluten zurückgeführt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführmoduls ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasrückführmoduls.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Abgasrückführmoduls der 1 in geschnittener Darstellung.
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3 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Abgasrückführmoduls der 1 von der Kopfseite.
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Das erfindungsgemäße in den Figuren dargestellte Abgasrückführmodul besteht aus insgesamt vier äußeren Gehäuseteilen, wovon ein erstes Gehäuseteil ein Abgasrückführgehäuse 2 ist, ein zweites Gehäuseteil ein Wärmetauschergehäuse 4 ist, ein drittes Gehäuseteil ein Nachkühlergehäuse 6 ist und ein viertes Gehäuseteil ein Rückschlagventilgehäuse 8 ist, an dessen Ende ein Sammelrohr 10 ausgebildet ist.
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Im Abgasrückführgehäuse 2 sind zwei Abgasrückführkanäle 12 ausgebildet, von denen in der 2 lediglich einer zu erkennen ist, sowie zwei Durchströmungsquerschnitte 14 der Abgasrückführkanäle 12, welche beide durch ein Abgasrückführventil 16 beherrscht werden, welches aus zwei Regelventilkörpern 18 in Form von auf einer gemeinsamen Welle 20 angeordneten Abgasrückführklappen 22 sowie einem elektrischen Aktuator 24 besteht. Zwischen den beiden Abgasrückführkanälen befindet sich eine gemeinsame Trennwand 23, die sich vom Eintritt 26 des Abgasrückführgehäuses 2 bis zum Austritt 28 erstreckt, welcher um 90° versetzt zum Eintritt 26 angeordnet ist, so dass ein Abgasstrom im Innern des Gehäuses 2 um 90° umgelenkt wird. Der Eintritt 26 ist als Flansch ausgeführt, über den das Modul direkt an einen nicht dargestellten Motorblock oder einen Abgaskrümmer angeflanscht werden kann, wobei im Motorblock beziehungsweise Abgaskrümmer zwei Abgasfluten von zwei Zylindergruppen getrennt voneinander ausgeführt sind, so dass eine Abgasflut mit dem ersten Abgasrückführkanal 12 und die zweite Abgasflut mit dem zweiten Abgaskanal verbunden ist.
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Die Weile 20, auf der die Abgasrückführklappen 22 angebracht sind, ist im Abgasrückführgehäuse 2 gelagert und mittels des elektromotorischen Aktuators 24 über ein Kopplungsgestänge 30 drehbar. Die Welle 20 ist außerhalb des Gehäuses 2 von einer Rückstellfeder 32 umgeben, über welche bei Ausfall des Aktuators 24 die Abgasrückführklappen 22 in ihre die Durchströmungsquerschnitte 14 verschließende Stellung gedreht werden.
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Im Abgasrückführgehäuse 2 ist zusätzlich ein Kühlmittelkanal 34 ausgebildet, über welchen das thermisch hochbelastete Gehäuse 2 gekühlt wird und insbesondere der Aktuator 24 vor thermischer Überlastung geschützt wird. Um trotz der 90° Umlenkung zwischen Eintritt 26 und Austritt 28 eine möglichst lange Kühlstrecke durch den Kühlmittelkanal 34 zu erhalten, der im Wärmetauschergehäuse 4 als Kühlmittelmantel fortgeführt werden kann, befinden sich am Abgasrückführgehäuse 2 Kühlmittelrohre 36, die es ermöglichen, dass das Kühlmittel von der Seite des Austritts 28 bis zu den Abgasrückführklappen 22 und um diese herum geführt werden kann, so dass eine gute thermische Entkopplung erzielt wird, die noch dadurch verstärkt wird, dass das Abgasrückführgehäuse 2 zweiteilig ausgeführt ist, wobei der erste Teil 38, in dem die Lagerstellen 39 für die Welle 20 des Abgasrückführventils 16 sowie die geregelten Durchströmungsquerschnitte 14 angeordnet sind, im Wesentlichen als erweiterter Flansch ausgebildet ist, der an den zweiten Teil 40 angeflanscht ist, an dem der Aktuator 24 und die Kühlmittelrohre 36 angebracht sind. Der erste Teil 38 weist einen an beiden Seiten der Welle 20 verlaufenden Kühlmittelkanal 34 auf, der über Bohrungen in das Abgasrückführgehäuse 2 und die Kühlmittelrohre 36 sowie den Kühlmittelmantel verläuft. Der erste Teil 38 und der zweite Teil 40 des Abgasrückführgehäuses 2 werden über Flansche unter Zwischenlage einer Dichtung aneinander befestigt.
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Des Weiteren sind im Abgasrückführgehäuse 2 erfindungsgemäß zwei Bypassventile 42, 43 angeordnet, die jeweils aus einem Klappenkörper 44, 45 bestehen, der auf einer im Abgasrückführgehäuse 2 gelagerten Welle 46, 47 angeordnet ist, welche über einen Hebel 48, 49 mittels jeweils eines pneumatischen Aktuators 50, 51 betätigbar ist, der wiederum am Abgasrückführventilgehäuse 2 befestigt ist, wie aus 3 ersichtlich ist.
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Die Klappenkörper 44, 45 wirken je nach ihrer Position mit einem von zwei Ventilsitzen 52, 54 zusammen, die entweder einen Durchströmungsquerschnitt zu einem von zwei innerhalb des Wärmetauschergehäuses 4 ausgebildeten Abgaskühlkanälen 56 oder zu einem von zwei Bypasskanälen 58, 60 umschließen, welche als Rohre am Wärmetauschergehäuse 4 vorbeigeführt sind. Dies bedeutet, dass parallel zueinander im Abgasrückführgehäuse 2 zwei Abgasrückführkanäle 12 ausgebildet sind, deren Durchströmung über eine im jeweiligen Kanal 12 angeordnete Abgasrückführklappe 22 regelbar ist und die je nach Stellung des jeweiligen Bypassventils 42, 43 entweder in den fluidisch verbundenen Abgaskühlkanal 56 oder den fluidisch verbundenen Bypasskanal 58, 60 münden. Jeder der beiden Aktuatoren 50, 51 ist separat schaltbar, so dass beispielsweise das Abgas einer ersten Zylindergruppe gekühlt zurückgeführt wird, während das Abgas der zweiten Zylindergruppe ungekühlt zurückgeführt wird. So kann bei geringen Lastzuständen die Temperatur des Motors geringfügig angehoben werden, falls die optimale Betriebstemperatur andernfalls nicht erreicht wird.
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Das Abgasrückführgehäuse 2 ist über eine Flanschverbindung 62 am Wärmetauschergehäuse 4 beispielsweise unter Zwischenlage einer nicht dargestellten Dichtung befestigt. Im Innern des äußeren sichtbaren Wärmetauschergehäuses 4 sind die zwei durch eine Trennwand voneinander getrennten Abgaskühlkanäle 56 angeordnet, deren Außenwände als Abtrennung zum Kühlmittelmantel 34 dienen, der zwischen den Abgaskühlkanälen 56 und dem Wärmetauschergehäuse 4 ausgebildet ist. Die Trennwand bildet eine Verlängerung zu der Trennwand zwischen den Abgasrückführkanälen 12 im Abgasrückführgehäuse 2. Über die Flanschverbindung wird auch die fluidische Verbindung zwischen den Kühlmittelkanälen 34 des Abgasrückführventilgehäuses 2 und dem Kühlmittelmantel im Wärmetauschergehäuse 4 hergestellt.
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An der zum Abgasrückführgehäuse 2 entgegengesetzten Seite des Wärmetauschergehäuses 4 ist das Nachkühlergehäuse 6 befestigt, welches wiederum über eine Flanschverbindung mit dem Rückschlagventilgehäuse 8 verbunden ist, in dessen Innern zwei Abgasrückschlagventile angeordnet sind, bis zu denen die Trennung der beiden Abgaskühlkanäle 56 fortgesetzt wird, so dass jeder Abgaskühlkanal 56 in ein in den Figuren nicht sichtbares, jedoch allgemein bekanntes Abgasrückschlagventil mündet. Das Rückschlagventilgehäuse 8 mündet in ein Sammelrohr 10, in welchem die beiden Abgasströme erstmalig gemischt werden und in dem ein Abgasmassenstromsensor 64 angeordnet ist.
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Die beiden Bypasskanäle 58, 60 münden im vorliegenden Ausführungsbeispiel in das Sammelrohr 10, wobei zur Aufrechterhaltung der hohen Abgasrückführraten durch Unterdrückung der Rückströmung mittels der Rückschlagventile eine Einleitung im Bereich des Nachkühlers vorteilhaft wäre.
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Strömt Abgas von den beiden Zylindergruppen in die Abgasrückführkanäle 12, werden die beiden Abgasströme zunächst im Abgasrückführgehäuse 2 vorgekühlt und die Abgasmenge über die Öffnungsweite der Durchströmungsquerschnitte 14 mittels der Abgasrückführklappen 22 entsprechend eines Steuerbefehls am Aktuator 24 eingestellt. Das weiterströmende Abgas wird entweder über die Abgaskühlkanäle 56 weiterhin getrennt voneinander geführt und heruntergekühlt oder es gelangt ungekühlt jedoch ebenfalls getrennt voneinander über die Bypasskanäle 58, 60 in das Sammelrohr. Von den Abgaskühlkanälen 56 gelangt das Abgas zu den Rückschlagklappen. Da keine Mischung der beiden Abgasströme im Verlaufe des Kühlmoduls auftritt, weisen zu diesem Zeitpunkt die beiden Abgasströme weiterhin die Pulsationen des Ausstosses aus den Zylinderreihen der Verbrennungskraftmaschine auf, da die Abstände der einzelnen Pulse im Vergleich zu einem gemeinsamen Abgasstrang verdoppelt werden, so dass Interferenzen deutlich reduziert werden. Dies führt jedoch zu Druckspitzen, die auch bei einem hohen auftretenden Gegendruck im Bereich des Sammelrohres 10 dennoch zu einem Öffnen der zum jeweiligen Kanal 12 gehörenden Abgasrückschlagklappen führen.
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Gleiches gilt für den Fall einer Rückführung über die Bypasskanäle 12 vor die Rückschlagklappen.
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Somit wird sichergestellt, dass ausreichende Abgasmengen zur Schadstoffreduzierung zurückgeführt werden können, was sonst bei großvolumigen aufgeladenen Motoren gegebenenfalls zu Schwierigkeiten führt. Dieses Abgas wird gekühlt, teilweise gekühlt oder ungekühlt der Verteilerleiste und somit dem Verbrennungsmotor wieder zur Verfügung gestellt, was erneut zur Schadstoffreduzierung dient, da eine möglichst optimale Abgastemperatur eingestellt werden kann, mit der einerseits eine ausreichende Motortemperatur zur Sicherstellung einer guten Ölschmierung und andererseits relativ geringe Verbrennungstemperaturen erzeugt werden können. Das Modul kann als eine Baueinheit vormontiert am Verbrennungsmotor angebracht werden. Trotz der verschiedenen integrierten Funktionen benötigt es nur einen sehr geringen Bauraum bei unterschiedlichen Regelungsfunktionen.
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Es sollte deutlich sein, dass innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen möglich sind, insbesondere die Bypasskanäle vor dem Rückschlagventil in das Gehäuse münden können oder andere Aktuatoren benutzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008035747 A1 [0004]