DE4436732A1

DE4436732A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hochdruckseitigen Abgasrezirkulation einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4436732A1
Application number: DE4436732A
Authority: DE
Inventors: Ennio Dr Codan; Hansulrich Dr Hoerler; Hansruedi Stebler; Markus Widenhorn
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-04-18
Also published as: EP0707142B1; DK0707142T3; FI106573B; US5564275A; FI954881A0; EP0707142A1; FI954881A; DE59504967D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochdruckseitigen Abgasrezirkulation einer mit einem Turbola der kombinierten Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Die Abgasrezirkulation auf der Hochdruckseite einer aufgela denen Brennkraftmaschine mit negativem Spülgefälle, d. h. mit kleinem Ladeluftdruck gegenüber höherem Abgasgegendruck nach dem Zylinder, wird durch einfaches Verbinden des Abgaslei tungssystems mit dem Ladeluftleitungssystem realisiert. Bei positivem Spülgefälle ist eine solche Verbindung jedoch we sentlich komplizierter, da das Druckgefälle in umgekehrter Richtung überwunden werden muß.

Aus der DE-C1 42 09 469 ist eine Brennkraftmaschine mit Ab gasturbolader bekannt, welche die Abgasrückführung bei nega tivem und vor allem auch bei positivem Spülgefälle ermög licht. Zur Überwindung des Druckgefälles gegenüber dem Lade luftdruck ist bei dieser Lösung die Turbine des Abgasturbola ders so ausgebildet, das sie einen Teil der Abgase der Brennkraftmaschine verdichtet. Die verdichteten Abgase werden über eine Abgasrückführleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verdichter des Abgasturboladers in die Einlaßleitung der Brennkraftmaschine eingeleitet.

Diese Lösung erfordert jedoch eine komplizierte, speziell ausgebildete Turbine mit integriertem Abgasverdichterteil. Daher ist es nicht möglich, handelsübliche Abgasturbolader zu verwenden. Weil die erforderliche Verdichtungsenergie mit der Ansaugtemperatur ansteigt und ein in die Turbine integriertes Abgasverdichterteil nicht optimal ausgelegt werden kann, wird für eine derartige Verdichtung ein sehr hoher Energieaufwand benötigt. Dadurch verringert sich der erreichbare Wirkungs grad der Abgasrezirkulation.

Mit der DE-A1 43 20 045 ist eine aufgeladene Brennkraftma schine bekannt, bei welcher die o.g. Nachteile weitgehend be seitigt wurden. Dazu sind die Abgase in mehrere Abgasströme aufgeteilt. Der erste Abgasstrom wird in die Abgasturbine des Abgasturboladers geleitet. Ein zweiter Abgasstroms wird in einer separaten Abgasleitung zur Brennkraftmaschine zurückge führt. Dabei wird er vor seinem Eintritt in die Brennkraftma schine zunächst gekühlt und anschließend wieder verdichtet. Zur Begrenzung des Ladedruckes wird ein dritter Abgasstrom über eine Umgehungsleitung direkt ins Abgassystem abgeführt.

Das ungenutzte Abführen eines Teils der Abgase hat jedoch ei nen Energieverlust zur Folge, der den möglichen Wirkungsgrad der Abgasrezirkulation senkt. Nachteilig wirkt sich bei die ser Lösung außerdem aus, daß der Verdichter für den zweiten Abgasstrom von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Da durch wird deren Wirkungsgrad gesenkt. Der Antrieb des Ver dichters erfolgt über ein mit der Kurbelwelle der Brennkraft maschine verbundenes separates Getriebe, welches den techni schen Aufwand für die Abgasrezirkulation und damit auch die Kosten wesentlich erhöht. Durch die Vielzahl von Steuerventi len und das dazu erforderliche Regelsystem wird der Aufwand zusätzlich vergrößert. Zudem liefert der mechanische, an die Kurbelwelle gekoppelter Abgasverdichter eine Abgasmenge, die im allgemeinen nicht proportional zu der von der Brennkraft maschine angesaugten Luftmenge ist. Um auch bei sich ändern den Lasten eine konstante Abgasrückführrate zu realisieren, ist ein stark korrigierendes und damit aufwendiges Regelsy stem erforderlich.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein relativ einfaches und kosten günstiges Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur hochdruckseitigen Abgasrezirkulation einer mit einem Turbola der kombinierten Brennkraftmaschine zu schaffen und damit de ren Wirkungsgrad zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein dritter Abgasstrom der Brennkraftmaschine separat vom ersten Abgas strom entspannt wird und somit die Leistung zur Verdichtung des zweiten Abgasstroms erbringt.

Dazu ist als Antrieb des Abgasverdichters eine Turbine ange ordnet. Das Abgasleitungssystem weist eine dritte, mit der Turbine verbundene Abgasleitung auf.

Bei diesem Verfahren bzw. mit der entsprechenden Vorrichtung wird der Wirkungsgrad der Abgasrezirkulation erhöht, weil kein Teil der Abgase das System ungenutzt verläßt. Das Sy stem dieser Abgasrezirkulation besitzt eine Charakteristik, die nahezu konstante Abgasrückführraten ergibt, so daß al lenfalls kleine Regeleingriffe erforderlich werden. Dadurch wird das System energetisch effizienter und auch die Ladungs wechselarbeit der Brennkraftmaschine verbessert sich.

Die Umsetzung des Energieüberschusses in einer zweiten Turbi ne ist wesentlich effizienter als die Nutzung der Druckdif ferenz im Zylinder der Brennkraftmaschine. Deshalb läßt sich mit diesem Verfahren der Gesamtbrennstoffverbrauch deutlich senken.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei Verdichtungs- bzw. Entspannungsvorgänge des zweiten bzw. des dritten Abgas stroms durchgeführt werden. Die Verdichtungsvorgänge laufen parallel zueinander und die Entspannungsvorgänge in Reihe hintereinander ab. Dazu sind in der zweiten Abgasleitung zu mindest zwei Abgasverdichter angeordnet. Jeder Abgasverdich ter ist mit einer Turbine zu einem Turbolader verbunden. Die Abgasverdichter sind parallel und die Turbinen in Reihe ge schaltet.

Für die Auslegung eines Turboladers ist das Verhältnis der Turbinenfläche zum Verdichtervolumenstrom entscheidend. Die besondere Anordnung der Turbolader bewirkt eine entsprechende Aufteilung des relativ großen Volumens des zweiten Abgas stroms im Bereich vor der Verdichtung. Ebenso werden die großen Druckverhältnisse des dritten Abgasstroms bei der Entspannung wesentlich verringert. Aus diesem Grund stellt sich ein normales Verhältnis der Turbinenfläche zum Verdich tervolumenstrom ein. Damit ist der wesentliche Vorteil ver bunden, daß handelsübliche Turbolader verwendbar sind. Weil die Turbinen und Verdichter solcher Turbolader hinsichtlich ihrer Laufzahl aufeinander abgestimmt sind, können sie in Ge bieten mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Abgasturboaufla dung einer Brennkraftmaschine, mit Abgasrezirkula tion;

Fig. 2 eine Darstellung der Abgasturboaufladung entspre chend Fig. 1, jedoch in einer anderen Ausgestal tungsform.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Brennkraftmaschine 1 ist hochdruckseitig mit einem Abgas turbolader 2 verbunden. Dessen Verdichter 3 ist über eine La deluftleitung 4 an der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen. In der Ladeluftleitung 4 ist ein Ladeluftkühler 5 angeordnet.

Stromab der Brennkraftmaschine 1 und von dieser mit Abgas 6 beaufschlagt, ist ein sich verzweigendes Abgasleitungssystem 7 ausgebildet, welches aus drei Abgasleitungen 8, 9, 10 be steht. Die erste Abgasleitung 8 ist mit der Abgasturbine 11 des Abgasturboladers 2 und die zweite Abgasleitung 9 mit ei nem Abgasverdichter 12 verbunden. In der zweiten Abgasleitung 9 ist ein Abgaskühler 13 angeordnet. Als Antrieb 14 des Ab gasverdichters 12 ist eine zusätzliche Turbine ausgebildet, mit der die dritte Abgasleitung 10 verbundenen ist (Fig. 1). Bei Bedarf kann in dieser Abgasleitung 10 ein Steuerventil 15 angeordnet werden.

Stromauf der Brennkraftmaschine 1 ist ein aus der Ladeluft leitung 4 und einer Abgasrückführleitung 16 bestehendes Lade luftleitungssystem 17 ausgebildet. Die Ladeluftleitung 4 und die Abgasrückführleitung 16 sind stromab des Ladeluftkühlers 5 miteinander verbunden.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird im Verdichter 3 aufgeladene und im Ladeluftkühler 5 gekühlte Ladeluft 18 in die Brenn kraftmaschine 1 eingeleitet. Nach der Verbrennung werden die Abgase 6 der Brennkraftmaschine 1 im Abgasleitungssystem 7 in drei Abgasströme 19, 20, 21 unterteilt. Der erste Abgasstrom 19 gelangt über die Abgasleitung 8 in die Abgasturbine 11, entspannt sich dort und treibt dabei den Verdichter 3 des Ab gasturboladers 2 an. Der zweite Abgasstrom 20 wird zunächst im Abgaskühler 13 abgekühlt und anschließend im Abgasver dichter 12 aufgeladen. Das Aufladen des zweiten Abgasstroms 20 erfolgt mit Hilfe des dritten Abgasstroms 21, der sich in der Turbine 14 entspannt und dabei den Abgasverdichter 12 an treibt. Die Turbine 14 und der Abgasverdichter 12 bilden da her einen Turbolader 22. Der nunmehr verdichtete zweite Ab gasstrom 20 gelangt über die Abgasrückführleitung 16 erneut in die Brennkraftmaschine 1, wobei er zunächst mit der aufge ladenen und gekühlten Ladeluft 18 vermischt wird.

Um die Temperatur des rückgeführten Abgasstroms 20 noch stär ker zu senken, kann in der Abgasrückführleitung 16 ein weite rer Abgaskühler vor oder nach dem Abgasverdichter 12 angeord net werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, die Abgas rückführleitung 16 stromauf des Ladeluftkühlers 5 mit der La deluftleitung 4 zu verbinden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel sind in der zweiten Ab gasleitung 9 zwei Abgasverdichter 12 angeordnet und mit je weils einer Turbine 14 zu zwei Turboladern 22 verbunden. Da bei sind die Abgasverdichter 12 parallel zueinander und die Turbinen 14 in Reihe hintereinander angeordnet (Fig. 2).

Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird das große Volumen des Abgasstroms 20 auf beide Abgasverdichter 12 verteilt. Die Druckverhältnisse in der zweiten Abgasleitung 9 sind dagegen unproblematisch, weil die Druckdifferenz zum Ladeluftlei tungssystem 17 relativ gering ist. Durch die Anordnung der Turbinen 14 in Reihe hintereinander wird die relativ große Druckdifferenz zwischen dem Abgasleitungssystem 7 und der Um gebungsluft problemlos ausgeglichen. Mit dem in der dritten Abgasleitung 10 angeordneten Steuerventil 15 läßt sich das zum Antrieb der Turbinen 14 benötigte Volumen des Abgasstroms 21 einstellen.

Bezugszeichenliste

1 Brennkraftmaschine
2 Abgasturbolader
3 Verdichter
4 Ladeluftleitung
5 Ladeluftkühler
6 Abgas
7 Abgasleitungssystem
8 Abgasleitung, erste
9 Abgasleitung, zweite
10 Abgasleitung, dritte
11 Abgasturbine
12 Abgasverdichter
13 Abgaskühler
14 Antrieb, Turbine
15 Steuerventil
16 Abgasrückführleitung
17 Ladeluftleitungssystem
18 Ladeluft
19 Abgasstrom, erster
20 Abgasstrom, zweiter
21 Abgasstrom, dritter
22 Turbolader

Claims

1. Verfahren zur hochdruckseitigen Abgasrezirkulation einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei welchem

a) verdichtete und gekühlte Ladeluft (18) in die Brennkraftmaschine (1) eingeleitet wird,
b) die Abgase (6) der Brennkraftmaschine (1) in meh rere Abgasströme aufgeteilt werden,
c) ein erster Abgasstrom (19) in der Abgasturbine (11) entspannt wird und damit den Verdichter (3) des Ab gasturboladers (2) antreibt,
d) ein zweiter Abgasstrom (20) zunächst gekühlt, da nach verdichtet und schließlich rezirkuliert, d. h. in die Brennkraftmaschine (1) eingeleitet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) ein dritter Abgasstrom (21) der Brennkraftmaschine (1) separat vom ersten Abgasstrom (19) entspannt wird und die Leistung zur Verdichtung des zweiten Abgasstroms (20) erbringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Verdichtungs- bzw. Entspannungsvorgänge des zweiten bzw. des dritten Abgasstroms (20, 21) durch geführt werden, wobei die Verdichtungsvorgänge parallel zueinander und die Entspannungsvorgänge in Reihe hinter einander ablaufen.

3. Vorrichtung zur hochdruckseitigen Abgasrezirkulation ei ner aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei welcher

a) der Verdichter (3) des Abgasturboladers (2) über eine Ladeluftleitung (4) mit der Brennkraftmaschine (1) verbunden und in der Ladeluftleitung (4) ein Ladeluftkühler (5) angeordnet ist,
b) stromab der Brennkraftmaschine (1) ein sich ver zweigendes Abgasleitungssystem (7) ausgebildet ist,
c) das Abgasleitungssystem (7) aus einer ersten, mit der Abgasturbine (11) des Abgasturboladers (2) und einer zweiten, mit einem Abgaskühler (13) sowie ei nem Abgasverdichter (12) verbundenen Abgasleitung (8, 9) besteht,
d) der Abgasverdichter (13) einen Antrieb (14) auf weist und über eine Abgasrückführleitung (16) mit der Ladeluftleitung (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
e) als Antrieb (14) des Abgasverdichters (13) eine Turbine angeordnet ist,
f) das Abgasleitungssystem (7) eine dritte, mit der Turbine (14) verbundene Abgasleitung (10) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Abgasleitung (10) ein Steuerventil (15) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß,

a) in der zweiten Abgasleitung (9) zumindest zwei Ab gasverdichter (12) angeordnet sind,
b) jeder Abgasverdichter (12) mit einer Turbine (14) verbunden ist,
c) die Abgasverdichter (12) parallel zu- und die Tur binen (14) in Reihe hintereinander angeordnet sind.