DE4429232C1 - Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 42 35 794 C1 ist bereits eine Vorrichtung zur Ab­ gasrückführung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Verdichter sowie eine Abgasleitung und eine Ladeluftleitung, wobei eine Ab­ gasrückführungsleitung die Abgasleitung vor der Turbine mit der Ladeluftleitung nach dem Verdichter verbindet und wobei eine Durchflußreguliereinrichtung zwischen Druckseite des Verdichters und Einlaßseite der Brennkraftmaschine angeord­ net und mit der Abgasrückführungsleitung verbunden ist. Die Durchflußreguliereinrichtung besteht aus einem Ejektor und einer parallel zu diesem geschalteten Drosseleinrichtung zur Regelung der Menge des aus der Abgasrückführungsleitung in die Ladeluftleitung strömenden Abgases.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druckschrift US 4 270 508 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine möglichst kompakt und gleichzeitig derart auszubilden, daß die in den Ladeluftstrom rückzuführende Ab­ gasmenge in einem weiten Betriebsbereich der Brennkraftma­ schine variabel einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die kom­ pakte Bauweise, da die Drosseleinrichtung und die Ejektor­ düse in einem integrierten Bauteil vereinigt sind. Neben der erheblichen Platzersparnis und der geringeren Baugröße wird, im Vergleich zu Starrgeometrie-Ejektoren, durch den varia­ blen Ejektor auch ein wesentlich breiterer Optimalbereich für dessen Betrieb und eine gute Dosierbarkeit der in den Ladeluftstrom rückzuführenden Abgasmenge erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasrückführung liegt darin, daß der Druck in der Abgaslei­ tung nicht betriebsnotwendig höher sein muß als der Druck in der Ladeluftleitung, um eine bestimmte Menge Abgas zurückzu­ führen.

Des weiteren ist eine Nachrüstung von turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführung mit geringem Aufwand möglich, da die Vorrichtung lediglich auf den vor­ handenen Turbolader und das Motor-Kennfeld abgestimmt werden muß.

Ein Vorteil der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung nach den Ansprüchen 2 und 3 liegt darin, daß durch eine Verringerung des engsten Querschnittes der Ladeluftströmung in der Ejektordüse bei Verschiebung des beweglichen Ejektor­ düsenteils die Abgasrückführung, speziell für größere Mengen rückzuführenden Abgases, wesentlich verbessert wird. Vor­ teilhafterweise wird der engste Querschnitt der Strömung in der Ejektordüse bei der maximal rückzuführenden Abgasmenge erreicht.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 erfüllt die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung neben einer vollständigen Abriegel­ barkeit des Abgasstromes gleichzeitig die Funktion eines Rückschlagventils in der Abgasrückführungsleitung.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird der Wirkungsgrad des Ejektordiffusors verbessert, da dessen Druckrückgewinn bei einer drallbehafteten Abgaszuströmung im Ejektorhalsbereich erhöht wird. Die Begründung hierfür liegt darin, daß durch Energietransport aus dem Kernbereich der Strömung in den Wandbereich des Ejektordiffusors das Abrei­ ßen der Strömung an der Wand des Ejektordiffusors erst bei höherem statischen Druck im Diffusor auftritt, als bei nicht drallbehafteter Abgaszuströmung.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine auf­ geladene Brennkraftmaschine, wobei zwischen Abgas­ leitung und Ladeluftleitung eine Abgasrückführungs­ leitung und eine Durchflußreguliereinrichtung mit einem Ejektor angeordnet ist, mit der die rückge­ führte Abgasmenge regelbar ist,

Fig. 2 einen Meridianschnitt der Durchflußreguliereinrich­ tung, die einen variablen Ejektor mit einem beweg­ lichen Ejektordüsenteil, einem feststehenden Ejek­ tordiffusorteil und einem Nabenstück umfaßt, in ei­ ner Position des beweglichen Ejektordüsenteils für geöffneten Bypass und abgeriegelter Abgasrückführung und

Fig. 3 einen Meridianschnitt analog Fig. 2 in einer Posi­ tion des beweglichen Ejektordüsenteils für Abgas­ rückführung bei geschlossenem Bypass.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer aufgelade­ nen Brennkraftmaschine 1, die über eine Abgasleitung 2 und eine Ladeluftleitung 3 mit einem Abgasturbolader 4 verbunden ist. Der Abgasturbolader 4 besteht in seinen wesentlichen Teilen aus einem Verdichter 5, der über eine Welle 6 mit ei­ ner Turbine 7 verbunden ist.

Die Abgasleitung 2 führt von der Auslaßseite 8 der Brenn­ kraftmaschine 1 zum Einlaßstutzen 9 der Turbine 7. Ein erster Teil 10 der Ladeluftleitung 3 führt von einem Aus­ laßstutzen 11 des Verdichters 5 zu einem Ladeluftkühler 12, ein zweiter Teil 13 der Ladeluftleitung 3 verbindet den Ladeluftkühler 12 mit der Einlaßseite 14 der Brennkraftma­ schine 1.

In dem zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 befindet sich eine Durchflußreguliereinrichtung 15, die als integriertes Bauteil ausgebildet ist und einen variablen Ejektor 16 mit einem beweglichen Ejektordüsenteil 16a (siehe Fig. 2) um­ faßt, mit dem ein Querschnitt 17 für den anzusaugenden Ab­ gasstrom und ein Querschnitt 18 für den Bypassstrom der Lade­ luft einstellbar ist (siehe Fig. 2)
Von der Abgasleitung 2 führt eine Abgasrückführungsleitung 19 zu einem Saugstutzen 20 der Durchflußreguliereinrichtung 15, der in eine ringförmige Kammer 21 mündet.

Ein Regler 22 regelt die Menge des rückzuführenden Abgases über das bewegliche Ejektordüsenteil 16a in unten näher be­ schriebener Weise.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Meridianschnitt der Durchfluß­ reguliereinrichtung 15, die den variablen Ejektor 16 mit dem beweglichen Ejektordüsenteil 16a, einen feststehenden Ejek­ tordiffusorteil 23 und einen Nabenstück 24 umfaßt. Die Ab­ gasrückführungsleitung 19 mündet in einem Stutzen 20 in eine Kammer 21; die durch ein Gehäuseteil 25 der Durchflußregu­ liereinrichtung 15 gebildet ist.

In Fig. 2 ist das Ejektordüsenteil 16a auf einen Sitz 23a des feststehenden Ejektordiffusorteils 23 geschoben, so daß die Abgasrückführungsleitung 19 nebst Kammer 21 vom Ejektor 16 vollständig abgeriegelt ist und keine Abgasrückführung stattfindet.

In Fig. 3 ist das Ejektordüsenteil 16a im Vergleich zu Fig. 2 nach links verschoben und gibt so den Querschnitt 17 für den rückzuführenden Abgasstrom frei. Die Zuströmung des Ab­ gases in den Ladeluftstrom im Ejektorhals 27 ist für die ge­ zeigte zylinderringförmige Kammer 21 überwiegend radial und wenig drallbehaftet. Eine stärker drallbehaftete Zuströmung des Abgases und damit ein verbesserter Ejektordiffusorwir­ kungsgrad wird durch eine spiralförmige Ausbildung der Kam­ mer 21 erreicht.

Der engste Strömungsquerschnitt 26 der Strömung durch den variablen Ejektor 16 ist mittels Verschiebung des bewegli­ chen Ejektordüsenteils 16a und durch das in das verschieb­ bare Ejektordüsenteil 16a hineinragende Nabenstück 24 mit Endkontur 24a variierbar. Die Endkontur 24a ist in Strö­ mungsrichtung der Ladeluft zulaufend, so daß bei einer gegen die Strömungsrichtung der Ladeluft erfolgenden Verschiebung des Ejektordüsenteils 16a der Strömungsquerschnitt 26 ver­ ringert wird. Der kleinste Strömungsquerschnitt 26 für die Strömung durch den variablen Ejektor 16 wird gemäß Fig. 3 in einer Position des Ejektordüsenteils 16a erreicht, die den Querschnitt 18 für den Bypassstrom vollständig verschließt, so daß die gesamte Ladeluft durch den Ejektor 16 strömt.

Die Regelung der Menge des rückzuführenden Abgases über das bewegliche Ejektordüsenteil 16a erfolgt in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 und auch in Ab­ stimmung mit der optimalen Betriebskennlinie des Abgasturbo­ laders 4, wobei ein Ejektorkennfeld in einem elektronischen Baustein zwecks Speicherzugriff durch den Regler 22 abge­ speichert wird und über einen Rechner die optimale Position des beweglichen Ejektordüsenteils 16a ermittelt und einem Motorbetriebspunkt und/oder einem Turboladerbetriebspunkt zugeordnet wird.

Die Positionierung des beweglichen Ejektordüsenteils 16a er­ folgt durch einen Steller 28, der vom Regler 22 über eine nicht dargestellte, prinzipiell bekannte Betätigungseinrich­ tung betätigt wird. Der Steller 28 ist am beweglichen Ejek­ tordüsenteil 16a und an einer Schiebehülse 29 befestigt und ist ein einer Nut 30 geführt, wobei diese Nut 30 eine Längs­ nut oder eine unter einem Winkel (z. B. 45°) zur Längsachse des Ejektors 16 verlaufende Nut sein kann.

Ist der Druck des Abgases in der Abgasleitung 2 höher als der Druck der Ladeluft in dem zweiten Teil 13 der Ladeluft­ leitung 3 und das Ejektordüsenteil 16a gibt den Querschnitt 17 für das rückzuführende Abgas frei, kommt es zu einer Strömung des Abgases von der Abgasleitung 2 über die Abgas­ rückführungsleitung 19 und die Durchflußreguliereinrichtung 15 zur Ladeluftleitung 3 und zu einer Mischung des Abgases mit der Ladeluft.

Sinkt der Abgasdruck unter den Druck der Ladeluft in dem zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 und ist eine Abgas­ rückführung erwünscht, wird das bewegliche Ejektordüsenteil 16a ausgehend von der in Fig. 2 gezeigten Position über den Regler 22 nebst Steller 28 nach links geschoben. Durch den niederen statischen Druck im Ejektorhals 27 wird eine dem geöffneten Querschnitt 17 und der bestehenden Druckdifferenz zwischen dem Abgas in der Kammer 21 und dem Ladeluftstrom im Ejektorhals 27 entsprechende Menge Abgas in den Ejektorkanal angesaugt und mit einem Teil der Ladeluft vermischt. Die üb­ rige Ladeluft strömt durch den Querschnitt 18 über den Bypass um den Ejektor 16, solange das Ejektordüsenteil 16a den Querschnitt 18 nicht vollständig verschließt.

Nach dem Einströmstutzen 31 des Ejektors 16 wird die Strö­ mung der Ladeluft in dem Ejektordüsenteil 16a zunächst be­ schleunigt und damit der statische Druck im Ejektorhals 27 soweit abgesenkt, daß der Druck des Abgases aus der Abgas­ rückführungsleitung 19 höher ist als der statische Druck im Ejektorhals 27. Damit kann das Abgas der Kammer 21 in den Ejektorhals 27 strömen und vermischt sich mit der Ladeluft. Anschließend strömt das Luft-Abgas-Gemisch zum Ejektordiffu­ sor 23. Dort wird die Strömung wieder verzögert und Ge­ schwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt. Das Luft- Abgas-Gemisch gelangt über den Ausströmstutzen 23b des Ejek­ tordiffusors 23 in das Gehäuse 15a der Durchflußregulierein­ richtung 15 und vermischt sich mit der über den Bypass strö­ menden Ladeluft.

Um die oben beschriebene Funktion der Durchflußregulierein­ richtung 15 betriebssicher zu gewährleisten, sind der Ejek­ tor 16 nebst Ejektordüsenteil 16a, das Nabenstück 24 nebst Endkontur 24a und der Querschnitt 17 für das rückzuführende Abgas aufeinander abzustimmen.

Die Anordnung des variablen Ejektors 16 und damit die Ein­ speisung des rückgeführten Abgases erfolgt in den zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 nach dem Ladeluftkühler 12, um dessen Verschmutzung durch das Abgas zu vermeiden. Dies ist auch hinsichtlich des Gaswechsels sinnvoll, da der Ladeluft­ kühler 12 hauptsächlich zur Verbesserung des Liefergrades im Vollastbereich benötigt wird und gleichzeitig in diesem Be­ reich die rückgeführte Abgasmenge sehr gering ist bzw. über­ haupt kein Abgas mehr rückgeführt wird.

Die Abgasrückführung erfolgt hauptsächlich im Teillastbe­ reich, in dem eine gewisse Temperaturerhöhung und damit eine Verringerung der Dichte der zuvor gekühlten Ladeluft durch die rückgeführten Abgase tolerierbar ist.

Eine Zuführung des Abgases vor den Verdichter ist zwar mög­ lich, jedoch wegen der Verschmutzung des Verdichters und ei­ nem eventuell nachfolgendem Ladeluftkühler kritisch, da hierdurch die Lebensdauer dieser Bauteile deutlich beein­ trächtigt wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader mit einer Tur­ bine und einem Verdichter sowie eine Abgasleitung und eine Ladeluftleitung umfaßt, wobei eine Abgasrückführungsleitung die Abgasleitung vor der Turbine mit der Ladeluftleitung nach dem Verdichter verbindet und wobei eine mit der Abgas­ rückführungsleitung verbundene Durchflußreguliereinrichtung in der Ladeluftleitung angeordnet ist, wobei die Durchfluß­ reguliereinrichtung einen Ejektor und eine Drosseleinrich­ tung zur Regelung der Menge des aus der Abgasrückführungs­ leitung in die Ladeluftleitung strömenden Abgases umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußreguliereinrichtung (15) als integriertes Bauteil ausgebildet ist und einen variablen Ejektor (16) mit einem beweglichen Ejektordüsenteil (16a) umfaßt, mit dem der Querschnitt (17) für den anzusaugenden Abgasstrom und der Querschnitt (18) für den Bypassstrom der Ladeluft einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Ejektor (16) ein Nabenstück (24) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der engste Strömungsquerschnitt (26) bei Verschiebung des beweglichen Ejektordüsenteils (16a) durch das in dieses hineinragende Nabenstück (24) durch die Ausbildung der End­ kontur (24a) des Nabenstücks (24) variierbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführungsleitung (19) durch das bewegliche Ejektordüsenteil (16a) vollständig abriegelbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, die Zuströmung des Abgases in den Ladeluftstrom im Ejektor­ hals (27) über ein spiralförmiges Ejektorgehäuseteil drall­ behaftet erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Menge des rückgeführten Abgases über das bewegliche Ejektordüsenteil (16a) in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ejektorkennfeld in einem elektronischen Baustein zwecks Speicherzugriff durch einen Regler (22) abgespeichert wird und über einen Rechner die optimale Position des beweg­ lichen Ejektordüsenteils (16a) ermittelt und einem Motorbe­ triebspunkt zugeordnet wird, wobei die Position des bewegli­ chen Ejektordüsenteils (16a) durch einen vom Regler (22) ge­ regelten Steller (28) realisierbar ist.