DE19960998C1

DE19960998C1 - Einrichtung zur Abgasrückführung

Info

Publication number: DE19960998C1
Application number: DE19960998A
Authority: DE
Inventors: Werner Remmels; Peter Mattes
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: EP1238194A1; US6752132B2; WO2001044650A1; JP2003519311A; EP1238194B1; US20020189598A1; ES2237493T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abgasrückführung beim Betrieb mehrzylindriger Brennkraftmaschinen. Die Zylinder der Brennkraftmaschine sind in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei das Abgas einer Gruppe, vorzugsweise eines Zylinders, über eine Abgasrückführleitung der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Die Steuerung der Abgasrückführung wird durch ein steuerbares Ventil in der Abgasrückführleitung vorgenommen. Ein vorzugsweise als Rückschlagklappe ausgebildetes Rückschlagventil in der Abgassammelleitung der Brennkraftmaschine schließt oder öffnet einen Durchlaß zwischen zwei Bereichen der Abgassammelleitung selbsttätig in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Ventileinrichtung in der Abgasrückführleitung. Die Integration eines Rückschlagventils ohne eigene Steuerung in der Abgassammelleitung ist konstruktiv einfach auch bei begrenzten Platzverhältnissen zu lösen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abgasrückführung beim Betrieb mehrzylindriger Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine wirksame Maßnahme zur Senkung der Stickoxidemissionen bei Brennkraftmaschinen ist die Abgasrückführung. Eine Einrichtung zur Abgasrückführung geht beispielsweise aus der US 5,517,976 als bekannt hervor. Dort sind die Zylinder einer aufgeladenen Brennkraftmaschine in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei das Abgas der einen Gruppe, vorzugsweise eines Zylinders, über eine Abgasrückführleitung der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Das Abgas der anderen Zylindergruppe wird in einer Abgassammelleitung gesammelt und der Turbine eines Abgasturboladers zugeleitet. Die Abgasrückführleitung und die Abgassammelleitung sind über eine Verbindungsleitung und eine Ventileinrichtung miteinander verbunden, die einen Strömungsquerschnitt der Verbindungsleitung steuert.

Eine analoge Einrichtung ist auch in der DE 39 30 243 A1 dargestellt, wo ein 3/2- Wegeventil dazu dient, eine Abschaltung der Abgasrückführung bei kalter Brennkraftmaschine und niedriger Last vorzunehmen. Bei abgeschalteter Abgasrückführung gelangt das Abgas eines mit der Abgasrückführleitung verbundenen Zylinders in die an die übrigen Zylinder angeschlossene Abgassammelleitung. Problematisch an einer derartigen Einrichtung, die eine Unterteilung der Zylinder in zwei Gruppen vornimmt, von denen eine Gruppe für die Abgasrückführung vorgesehen ist, ist die Notwendigkeit einer Anordnung einer Ventileinrichtung im Bereich der Abgassammelleitung, wo die Einbauverhältnisse sehr beengt sind. Wenn die Abgassammelleitung gekühlt ist, ist außerdem die Durchführung der Antriebswelle durch den Wassermantel hindurch nur mit hohem konstruktiven Aufwand zu lösen.

Aus der US 4,249,382 geht eine weitere Einrichtung als bekannt hervor, die eine Gruppe von Abgaszylindern zur Abgasrückführung heranzieht. Hier dient eine Ventileinrichtung mit zwei Ventilen zur Steuerung der Abgasströme. In einer Ausführung wird ein Rückschlagventil verwendet, um den Eintritt von Verbrennungsluft aus der Luftzufuhrleitung in die Abgasrückführleitung zu verhindern.

In der DE 195 21 573 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung dargestellt, die in der Abgasrückführleitung eine Rückschlagklappe und außerdem ein Ventil zur Abschaltung der Abgasrückführung enthält. Das rückgeführte Abgas wird einer Abgassammelleitung entnommen, an die alle Zylinder der Brennkraftmaschine angeschlossen sind. Nachteil dieser Ausführung ist, daß die Abgaszusammensetzung des rückgeführten Abgases nicht optimal eingestellt werden kann, da eine zylinderindividuelle Regelung zur Beeinflussung der Abgasqualität des rückgeführten Abgases nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Brennkraftmaschinen mit zwei Gruppen von Zylindern, von denen eine Gruppe ("Spenderzylinder") das Abgas für die Abgasrückführung bereitstellt, eine Ventileinrichtung für die Abgasrückführung anzugeben, die im Bereich der Abgassammelleitung geringen konstruktiven Aufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein vorzugsweise als Klappe mit einer Rückstellfeder ausgebildetes Rückschlagventil teilt das Abgassammelrohr in zwei Abschnitte. Die Integration eines Rückschlagventils ohne Steuerung in der Abgassammelleitung bereitet auch bei begrenzten Platzverhältnissen keine konstruktiven Probleme. Die Steuerung der zurückgeführten Abgasströme wird durch ein steuerbares Ventil in der Abgasrückführleitung vorgenommen. Die Anordnung eines steuerbaren Ventils samt Antriebswelle und Stellmotor in der Abgasrückführleitung bereitet dort aufgrund der dort zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse keinerlei Probleme. Auf diese Weise wird eine hinsichtlich konstruktivem Aufwand und Kosten günstige Lösung erreicht.

Die Erfindung wird anhand eines dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine mit separater Gruppe von Zylindern für die Abgasrückführung;

Fig. 2a einen Abschnitt der Abgasleitung, in dem eine mit zwei Klappen ausgebildete Ventileinrichtung in Stellung bei Abgasrückführung dargestellt ist und

Fig. 2b einen Abschnitt der Abgasleitung entsprechend Fig. 2a mit Stellung der Klappen bei abgeschalteter Abgasrückführung.

Fig. 1 zeigt ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine 1 mit dem Leitungssystem für Verbrennungsluft und Abgas. Die Verbrennungsluft wird den Zylindern 2, 3 der Brennkraftmaschine 1 über eine Ansaugleitung 4 zugeführt, die den Verdichter 5 eines Abgasturboladers enthält. Das Abgas der Zylinder 2, 3 wird in einer Abgassammelleitung 5 aufgenommen, die die Turbine 6 des Abgasturboladers beinhaltet. Die Abgassammelleitung 5 besitzt im weiteren einen Anschluß an eine Abgasrückführleitung 7, die mit der Ansaugleitung 4 verbunden ist. Zur Kühlung der Luft- und Abgasströme können Wärmetauscher 8, 9 vorgesehen sein. Die Abgasrückführung wird durch Ventile 10 und 11 gesteuert, die in der Abgassammelleitung 5 und in der Abgasrückführleitung 7 angeordnet sind. Das als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 10, das in der Abgassammelleitung 5 zwischen den Anschlüssen der Zylindergruppen 2 und 3 liegt, separiert zwei Bereiche der Abgassammelleitung 5.

In den Fig. 2a und 2b ist das Abgasleitungssystem jeweils im Bereich der aus den Ventilen 10 und 11 bestehenden Ventileinrichtung für die Abgasrückführung gezeigt, wobei in der Stellung der Ventile nach Fig. 2a eine Abgasrückführung des Abgases des Zylinders 3 erfolgt und in der Stellung der Ventile nach Fig. 2b die Abgasrückführung abgestellt ist, so daß das Abgas aller Zylinder 2, 3 zur Turbine 6 gelangt.

Die Ventile 10 und 11 sind als Klappen ausgebildet. Das in der Abgasrückführleitung 7 angeordnete Ventil 11 ist in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern in eine geöffnete Stellung für Abgasrückführung (Fig. 2a) und eine geschlossene Stellung (Fig. 2b) schaltbar, in der keine Abgasrückführung erfolgt. Aufgrund der Rückschlagfunktion des Ventils 10 kommt nur das Abgas des Zylinders 3 zur Rückführung.

Das in der Abgassammelleitung 5 angeordnete Ventil 10 wird bei Abgasrückführung aufgrund der sich einstellenden Druckverhältnisse und durch die Wirkung einer Rückstellfeder 12 in geschlossener Stellung im Anschlag an einem Widerlager 13 gehalten, wie in Fig. 2a dargestellt. Die Rückstellkraft der Feder wird so gewählt, daß in Abstimmung mit den bestehenden Druckverhältnissen die gewünschten Öffnungs- und Schließbedingungen erfüllt werden. Ein Dämpfungselement, das an der Klappe angreift, verhindert durch Druckstöße angeregte Flatterbewegungen. Die Richtung der Abgasströme ist durch Pfeile 14, 15 und 16 gezeigt.

Wenn zur Abschaltung der Abgasrückführung das Ventil 11 in geschlossene Stellung entsprechend Fig. 2b gebracht wird, öffnet das Ventil 10 aufgrund der sich in den vom Ventil 10 separierten Bereichen der Abgassammelleitung einstellenden Druckdifferenz selbsttätig und es entsteht ein Durchgang, über den das Abgas des Zylinders 3 in den mit der Turbine 6 verbundenen Abschnitt der Abgassammelleitung überströmt. Das gesamte Abgas aller Zylinder gelangt zur Turbine 6.

Um die rückgeführte Abgasrate zu variieren, ist es auch möglich, das Ventil 11 in der Abgasrückführleitung 7 nur zu einem Teil zu öffnen, so daß nur ein Teil des Abgases des Zylinders 3 (Spenderzylinder) in die Ansaugleitung zurückgeführt wird, während der andere Teil zusammen mit dem Abgas der übrigen Zylinder 2 zur Abgasturbine gelangt. Der Abgasdruck in der Abgasrückführleitung ist unter anderem abhängig von der Öffnung des Ventils 11. Je größer die Öffnung des Ventils 11 ist, um so geringer ist der aufgrund des Rückstaus bewirkte Abgasdruck in der Abgasrückführleitung, um so größer wird auch die zurückgeführte Abgasmenge sein. Die Stellung des Ventils 10 hängt ab von der Stellung des Ventils 11.

Die dargestellte Ventileinrichtung aus den Ventilen 10 und 11 zur Abgasrückführung erlaubt im Bereich der Abgassammelleitung 7 eine konstruktiv einfache Ausführung, weil aufgrund der Anordnung einer steuerbaren Ventileinrichtung in der Abgasrückführleitung 7 in der Abgassammelleitung 5 lediglich ein selbsttätiges Rückschlagventil genügt. Das als federbelastete Klappe ausgebildete Rückschlagventil ist auch in engen Einbauverhältnissen ohne aufwendige konstruktive Maßnahmen darstellbar. Im Falle einer gekühlten Abgassammelleitung entfällt insbesondere auch die aufwendige Durchführung der notwendigen Antriebswelle durch den Wassermantel hindurch.

Die Verwendung einer selbsttätigen Klappe in der Abgassammelleitung hat im weiteren den Vorteil, daß sie als Sicherheitseinrichtung für den Fall dienen kann, daß das Abgas des Spenderzylinders, z. B. bei einem Defekt des Ventils 11, bei Störungen in der Steuerung, bei Verschmutzung bzw. Verstopfung des Abgaskühlers oder sonstigen Bauteilen in der Rückführleitung dennoch abströmen kann.

Claims

1. Einrichtung zur Abgasrückführung bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, mit einer Ansaugleitung zur Zufuhr von Verbrennungsluft zu den Zylindern, und mit einer Abgassammelleitung zur Ableitung von Abgas aus den Zylindern der Brennkraftmaschine, wobei in der Abgassammelleitung zwischen zwei zwei Gruppen von Zylindern zugeordneten Bereichen der Abgassammelleitung ein Ventil vorgesehen ist, und ein Bereich der Abgassammelleitung mit einer Abgasrückführleitung verbindbar ist, die in die Ansaugleitung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Abgassammelleitung (5) angeordnete Ventil (10) ein selbsttätiges Rückschlagventil ist, das in Abhängigkeit der anliegenden Druckdifferenz ein Überströmen von Abgas aus dem mit der Abgasrückführleitung (7) verbundenen Bereich der Abgassammelleitung (5) in den vom Ventil (10) abgegrenzten anderen Bereich der Abgassammelleitung (5) gestattet, eine Strömung in umgekehrter Richtung jedoch durch Schließen verhindert, und daß ferner ein steuerbares Ventil (11) in der Abgasrückführleitung (7) angeordnet ist, das einen Strömungsquerschnitt der Abgasrückführleitung (7) steuert.

2. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil als Klappenventil ausgebildet ist, das durch eine Rückstellfeder (13) in Schließrichtung bis zum Anschlag an einem Widerlager (13) beaufschlagt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ventil (11) den Strömungsquerschnitt in der Abgasrückführleitung (7) in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern steuert.