DE19857234C2 - Vorrichtung zur Abgasrückführung - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasrückführung

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine weist folgende Merkmale auf: Einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter, eine Abgasleitung und eine Ladeluftleitung und eine Abgasrückführungsleitung, die die Abgasleitung vor der Abgasturbine mit der Ladeluftleitung nach dem Verdichter verbindet. Die Abgasturbine ist als zweiflutige Turbine ausgebildet. Die Kanäle der beiden Fluten sind asymmetrisch, mit einem kleineren und einem größeren Kanal ausgebildet. Die Abgasturbine weist zur Änderung des Abgasdurchsatzes eine variable Geometrie auf. Durch eine Regeleinrichtung ist der Druck in der Abgasrückführungsleitung derart steuerbar, daß dieser höher einstellbar ist als der Druck in der Ladeluftleitung nach dem Verdichter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrück­ führung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, dargelegt im einteiligen Patentanspruch 1.
Um möglichst niedrige Schadstoffgrenzwerte zu errei­ chen wird versucht, bei Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere bei Nutzfahrzeugmotoren, Abgasrückführkonzepte zu entwickeln, die auf eine Stickstoffoxidemission sen­ kend einwirken, und zwar ohne daß der Kraftstoffver­ brauch zu stark ansteigt. Zu diesem Zweck ist z. B. aus der DE 43 30 487 C1 und der DE 43 03 521 C1 bekannt bei einem Turbolader eine Abgasturbine vorzusehen, die eine variable Geometrie, z. B. ein verstellbares Leit­ gitter, drehbare Leitschaufeln, axial verschiebliche Leitgitterringe oder ähnliches, aufweisen. Durch die Veränderung der Geometrie der Abgasturbine, z. B. durch ein Schließen der Turbinenleitgitter, kann in weiten Betriebsbereichen bis zur Vollastlinie weitgehend er­ reicht werden, daß sich die Turbineneintrittsdrücke p3 größer als die Ladedrücke p2 einstellen, womit die Möglichkeit gegeben wird, Abgas vor der Turbine zu der Ladeluftseite, z. B. nach einem Ladeluftkühler direkt vor den Motor zu fördern, wobei keine Abnahme des ver­ brauchsrelevanten Luft- Kraftstoffverhältnisses auf­ tritt.
Problematisch ist jedoch, daß im Vollastbereich die Grenze des maximal möglichen Zylinderdruckes oder auch die Pumpgrenze des Verdichters, des Abgasturboladers eine Abgasrückführung verhindern oder zumindest ein­ schränken. Diese Behinderungen bzw. Einschränkungen lassen sich bei bekannten Vorrichtungen nur durch Zu­ satzmaßnahmen, die sich auf den Gesamtwirkungsgrad des Ladungswechsels auswirken, abschwächen. Als Zusatzmaß­ nahmen sind z. B. in der DE 44 29 232 C1 variable Ejekto­ ren als Durchflußreguliereinrichtungen bekannt, die in der Ladeluftleitung angeordnet werden. Auch Zusatzver­ dichteranordnungen, wie z. B. in der DE 43 12 078 C2 beschrieben, sind zum Pumpen von Abgas möglich.
Mit Hilfe von verstellbaren Leitgittern ist es auch möglich, im Motorbremsbetrieb eine sogenannte Tur­ bobremse zu schaffen, wozu die Turbinenleitgitter auf sehr kleine Strömungsquerschnitte eingestellt und in der Motorbremsphase praktisch eine Hochaufladung der Brennkraftmaschine stattfindet und somit sehr hohe wählbare Motorbremsleistungen eingestellt werden kön­ nen.
Versuche in der Praxis haben jedoch gezeigt, daß die hohen Anforderungen an die Lebensdauer von Brennkraft­ maschinen, insbesondere von Nutzfahrzeugmotoren, durch die bisher bekannten Maßnahmen nicht erreicht werden können.
Aus der DE 196 03 591 C1 ist eine Vorrichtung zur Ab­ gasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem Verdichter, einer Abgasleitung und einer Ladeluftleitung nebst Abgas­ rückführleitung bekannt. Die Abgasrückführleitung ver­ bindet die Abgasleitung vor der Abgasturbine mit der Ladeluftleitung nach dem Verdichter. Eine Durchflußre­ guliereinrichtung umfaßt dabei einen weiteren Ab­ gasturbolader mit einem Abgasverdichter und einer wei­ teren Turbine. Über eine Regeleinrichtung ist die zu­ rückgeführte Abgasmenge regelbar.
Aus der DE-OS 28 55 687 ist eine asymmetrische zwei­ flutige Abgasturbine bekannt, bei der die spiralförmi­ gen Kanäle der beiden durch eine Zwischenwand getrenn­ ten Fluten unterschiedlich groß sind. Durch diese asymmetrische Aufteilung soll erreicht werden, daß der Druck in der Abgasleitung vor dem kleineren Kanal hö­ her ist, als in der Ladeluftleitung, so daß eine Ab­ gasrückführung möglich ist. Damit eine ausreichende Abgasrückführung auch bei hohen Ladedrücken gewährlei­ stet ist, muß eine starke Asymmetrie vorgewählt wer­ den, was sich jedoch nachteilig auf den Turbinenwir­ kungsgrad bzw. ganz allgemein auf den Ladungswechsel­ wirkungsgrad vom Motor auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftma­ schine eine Abgasrückführung ohne aufwendige Zusatz­ maßnahmen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im einteiligen Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind.
Durch die unterschiedlich ausgebildeten Strömungskanä­ le in Verbindung mit einer variablen Geometrie der Abgasturbine, wie z. B. einem verstellbaren Leitgitter, läßt sich über eine Regeleinrichtung der Druck des rückzuführendes Abgases derart regeln, daß dieser im Bedarfsfalle stets über dem Druck der Ladeluft liegt, so daß immer eine Rückführung von Abgasen gewährlei­ stet ist. Gleichzeitig wird jedoch durch eine entspre­ chende Regelung verhindert, daß es zu Problemen im Vollastbereich kommt.
Neben der Funktion als Turbobremse kann auf diese Wei­ se erfindungsgemäß die variable Geometrie oder erfin­ dungsgemäß in ein oder beide Ringkanäle einschiebbare Leitschaufeleinrichtung auch zur Beeinflussung des Druckes in der Abgasrückführungsleitung vor der Ab­ gasturbine verwendet werden und damit auch eine Beein­ flussung des Druckes in der Abgasrückführungsleitung.
Falls z. B. eine möglichst große Variabilität durch eine relativ hohe Asymmetrie der Kanäle gewählt wird, kann dadurch, daß in der Abgasleitung eine Abblase- oder Umblaseeinrichtung angeordnet ist, ein Abgasaus­ tausch zwischen den Kanälen der beiden Fluten und/oder eine Abblasung durchgeführt werden.
Auf diese Weise läßt sich eine Leistungsbegrenzung der Turbobremse und/oder Regelung der Abgasrückführmenge und der Abgasdrücke erreichen.
Da die Turbinenwirkungsgrade mit steigender Asymmetrie abnehmen, kann die Asymmetrie auch auf einen oberen Wert begrenzt werden und z. B. eine Druckregulierein­ richtung in der Ladeluftleitung, z. B. in Form eines variablen Ejektors vorgesehen werden. Auch die Kombi­ nation mit einem Zusatzverdichter oder einem zweiten Abgasturbolader, der parallel geschaltet ist, ist denkbar.
Anstelle oder zusätzlich zu unterschiedlich großen Kanälen kann im Ausgangsbereich eines Kanals auch eine Strömungsverengung, z. B. durch verstellbare Leitgit­ ter, vorgesehen werden, die einen entsprechenden Druckaufbau in einem Kanal bewirkt.
Nachfolgend sind anhand der Zeichnung zwei Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung mit asymmetrischen Ringkanälen, und
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Ausgangsbe­ reiches eines Ringkanales mit einem ver­ stellbaren Leitgitter als Strömungsveren­ gung.
Gemäß Fig. 1 wird Frischluft von einem Verdichter 1 eines Abgasturboladers 2 verdichtet und nach Durchgang durch einen Ladeluftkühler 3 und einer Durchflußregu­ liereinrichtung 4, die z. B. ein variabler Ejektor be­ kannter Bauart, über eine Ladeluftleitung 5 einer Brennkraftmaschine 6 zugeführt. Von der Brennkraftma­ schine 6 aus führen getrennt gehaltene Austrittskrüm­ mer für jeweils zwei "Sets" von nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine (z. B. linke Seite und rechte Seite) entsprechend Abgas über Abgasleitungen 7a und 7b zu einer Abgasturbine 8. Die Abgasturbine 8 ist als zweiflutige Turbine ausgebildet mit zwei spi­ ralförmigen Einströmkanälen 9 und 10, die durch eine Zwischenwand 11 voneinander getrennt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist der Ringkanal 9 deutlich kleiner als der Ringkanal 10. Am Vereini­ gungspunkt der beiden Kanäle ist in bekannter Weise ein axial verstellbares Leitgitter 12 angeordnet, wel­ ches die Abgasströmung zu der Turbine 8 regelt. Die Turbine 8 ist durch eine Antriebswelle 13 mit dem Ver­ dichter 1 verbunden. Zwischen den beiden Abgasleitun­ gen 7a und 7b ist eine Um-/Abblaseeinrichtung 14 vor­ gesehen, die zum einen ein Überströmen zwischen den Fluten bzw. den beiden Kanälen 9 und 10 ermöglicht und zum anderen auch - in Abhängigkeit von der Regelung der Um-/Abblaseeinrichtung 14 - ein Abströmen über eine Leitung 15 hinter die Turbine 8 zuläßt. Auf diese Wei­ se wird eine Leistungs- und Druckbegrenzung für die Motorbremse erzeugt, welche durch die variable Geome­ trie der Turbine entsprechend der Stellung des Leit­ gitters 12 erreicht wird. Gleichzeitig kann durch die Um-/Abblaseeinrichtung 14 auch die Menge des über eine Abgasrückführungsleitung 16 zurückzuführende Abgas ebenso wie die Luft-/Kraftstoffverhältniszahlen beein­ flußt werden.
Das Abgas in der Abgasrückführungsleitung 16 wird nach Abzweigung von der Abgasleitung 7a bzw. 7b zuerst über ein Abgasrückführventil 17 zu einem Abgaskühler 18 geführt, von wo aus es in einen Zusatzverdichter 19 gelangt, bevor es der Ladeluftleitung 5 zugeführt wird. Bei der Verwendung eines Zusatzverdichters 19 kann die Durchflußreguliereinrichtung 4 entfallen. Die Durchflußreguliereinrichtung 4 wird man hauptsächlich dann vorsehen, wenn anstelle einer Rückführung des Abgases über den Zusatzverdichter 19 eine Abgasrück­ führung statt über das Ventil 17 über ein Ventil 20 (gestrichelt dargestellt) direkt über eine Abzweiglei­ tung 16b (gestrichelt dargestellt) in die Abgasrück­ führungsleitung 16 erfolgt.
Um die Abgasrückführung zu ermöglichen ist lediglich dafür zu sorgen, daß der Abgasdruck p31 in der Abgas­ leitung 7a bzw. p3r in der Abgasleitung 7b höher ist als der Ladedruck p2 vor der Brennkraftmaschine 6. Falls die Abgasrückführung über den Zusatzverdichter 19 erfolgt, können gegebenenfalls die Drücke p31 und p3r auch niedriger sein, da durch den Zusatzverdichter 19 ein entsprechend höherer Druck erreicht wird. Über einen Regler 21, der seine Regelbefehle über eine Steueranleitung 22 entsprechend dem Soll-Motoren- Kennfeld erhält, werden über Steuerleitungen die ent­ sprechenden Steuerbefehle zum Öffnen und Schließen des Ventils 17 bzw. 20 (wahlweise), der Durchflußregu­ liereinrichtung 4 und der Stellung des Leitgitters 12 geleitet. In dem Ejektor 4 als Druckreguliereinrich­ tung wird dabei der statische Druck des Abgases im Bedarfsfalle abgesenkt.
Die beiden alternativ eingesetzten Abgasventile 17 und 20 können als sogenannte "Flatterventile" ausgebildet sein, wodurch die Druckpulsationen im Abgassystem zur Rückführung des Abgases genutzt werden können.
Anstelle des Zusatzverdichters 19 kann im Bedarfsfalle auch ein kompletter zusätzlicher Abgasturbolader par­ allel zu dem Abgasturbolader 2 vorgesehen werden (nicht dargestellt).
Fig. 2 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung eine Strömungsverengung durch ein verstellbares Leitgitter 12a für einen der beiden Ringkanäle, nämlich Ringkanal 9. Bei Aktivierung, d. h. bei einem Einschieben des Leitgitters 12a, kommt es entsprechend in dem Ringka­ nal 9 zu dem gewünschten Druckaufbau.
Die Lösung nach der Fig. 2 kann alternativ zu den un­ terschiedlich großen Ringkanälen nach der Fig. 1 vor­ gesehen sein, aber auch gegebenenfalls zusätzlich und zwar ohne oder auch mit einem weiteren Leitgitter 12. Auf diese Weise erhält man eine große Variabilität, insbesondere auch bezüglich einem Einsatz als Tur­ bobremse.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine mit folgenden Merkma­ len:
  • 1. 1.1 einem Abgasturbolader (2) mit einer Ab­ gasturbine (8) und einem Verdichter (1),
  • 2. 1.2 einer Abgasleitung (7a, 7b) und einer Lade­ luftleitung (5),
  • 3. 1.3 einer Abgasrückführungsleitung (16), die die Abgasleitung (7a bzw. 7b) vor der Abgastur­ bine (8) mit der Ladeluftleitung (3) nach dem Verdichter (1) verbindet,
  • 4. 1.4 die Abgasturbine (8) ist als zweiflutige Turbine ausgebildet,
  • 5. 1.5 die Kanäle (9, 10) der beiden Fluten sind derart ausgebildet und/oder derart mit Ein­ richtungen (12a) versehen, daß ein asymme­ trisches Durchsatzverhalten für die Kanäle (9, 10) einstellbar ist oder eingestellt ist,
  • 6. 1.6 die Abgasturbine (8) weist zur Änderung des Abgasdurchsatzes eine variable Geometrie auf,
  • 7. 1.7 einer Regeleinrichtung (21), durch die der Druck in der Abgasrückführungsleitung (16) derart steuerbar ist, daß dieser höher ein­ stellbar ist als der Druck in der Ladeluft­ leitung (5) nach dem Verdichter (1), und
  • 8. 1.8 in der Abgasleitung (7a, 7b) ist eine Abbla­ se- oder Umblaseeinrichtung (14) angeordnet, durch die ein Abgasaustausch zwischen den Kanälen (9, 10) der beiden Fluten und/oder eine Abblasung durchführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalt eines asymmetrischen Durchsatzverhal­ ten die Kanäle (9, 10) der beiden Fluten asymme­ trisch, mit einem kleineren und einem größeren Kanal (9, 10) ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalt eines asymmetrischen Durchsatzverhal­ tens im Ausgangsbereich wenigstens einer der Ka­ näle ein oder mehrere Strömungsverengungen (12a) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die variable Geometrie die Abgasturbine (8) mit einem verstellbaren Leitgitter (12) versehen ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Strömungsverengungen wenigstens ein ver­ stellbares Leitgitter (12a) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladeluftleitung (3) eine mit der Abgas­ rückführungsleitung (16) verbundene Durchflußre­ guliereinrichtung (4) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußreguliereinrichtung (4) einen varia­ blen Ejektor aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das verstellbare Leitgitter (12) einen Axial­ schieber aufweist, der als Turbobremse ausgebil­ det ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (8) mit einem Zusatzverdich­ ter (19) versehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzverdichter (19) auf der gleichen Welle (13) wie der Verdichter (1) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Abgasturbolader parallel geschaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführungsleitung (16) ein Flatter­ ventil (17 bzw. 20) angeordnet ist.
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