DE60203217T2

DE60203217T2 - Staudruck Abgasrückführleitung

Info

Publication number: DE60203217T2
Application number: DE60203217T
Authority: DE
Inventors: Robert S. Indianapolis Lebold
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: EP1273775B1; JP2003065060A; EP1273775A1; DE60203217D1; US6494041B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader.
Die Rückführung des Abgases in das Ansauggas einer Brennkraftmaschine ist in großem Umfang als signifikantes Verfahren zum Reduzieren der Erzeugung von Stickoxiden (NOx) während des Verbrennungsprozesses bekannt. Das rückgeführte Abgas kühlt den Verbrennungsprozess teilweise stark ab und senkt die während der Verbrennung erzeugte Spitzentemperatur. Da die NOx-Erzeugung von der Spitzentemperatur abhängig ist, wird durch die Rückführung des Abgases die Menge des erzeugten NOx verringert.
Bei einer normal belüfteten Brennkraftmaschine besitzt das Ansauggas üblicherweise einen niedrigeren Druck als das Abgas. Unter dieser Bedingung kann die Einführung des Abgases in das Ansauggas ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.
Bei einer mit einem Turbolader versehenen Brennkraftmaschine ist jedoch die Druckbeziehung zwischen dem Ansauggas und Abgas oft umgekehrt. In herkömmlicher Weise nimmt der Turbolader Abgas von der Brennkraftmaschine auf und erzeugt unter Ausnutzung der Energie des Abgasstromes Energie in einer Turbine, die zum Antreiben eines Kompressors dient. Der Kompressor erhöht den Druck des von der Brennkraftmaschine aufgenommenen Ansauggases. Der Druck des Ansauggases an der Auslaßseite des Kompressors oder am Kompressorauslaß ist variabel und u.a. von der Größe der von der Turbine zur Verfügung gestellten Energie abhängig. Die von der Turbine zur Verfügung gestellte Energie hängt von der Temperatur und dem Druck des Abgases sowie von anderen Faktoren ab.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei der Erzeugung eines Spitzendrehmomentes durch einen Dieselmotor, ist der Druck des Ansauggases höher als der Druck des Abgases. Aufgrund dieses entgegengesetzten Druckgradienten kann das Abgas nicht ohne Unterstützung in das Ansauggas zurückgeführt werden.
Diverse Systeme sind vorgeschlagen worden, um bei einer mit einem Turbolader versehenen Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung durchzuführen. Bei einer Konstruktion befindet sich ein Schmetterlingsventil am Auslaß der Turbine, um den Druck des Abgassystems zu erhöhen. Dieses Unterdrucksetzen der Turbine führt jedoch zu einer Druckbelastung des Turboladerrotorsystems, wodurch der Verschleiß der Turboladerlager ansteigt. Des weiteren kann Abgas unter Druck an den Dichtungen und Lagern des Turboladers vorbeilecken und mit rückgeführtem Schmieröl in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine strömen, was zu einer unerwünschten Erhöhung des Drucks des Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine führt.
Bei noch einer anderen Konstruktion ist ein kombiniertes Gegendruck/EGR-Ventil am Turbineneinlass vorgesehen. Bei diesem Ventil ist die Betätigung des Gegendruckventils mit der Betätigung des EGR-Ventils mechanisch verriegelt. Dieses Ventil ist jedoch nicht flexibel, um das Unterdrucksetzen des Abgassystems unabhängig von der Rückführung des Abgases zu verändern. Dieser Mangel an Flexibilität bedeutet, dass die Menge des rückgeführten Abgases zwar für einen einzigen oder engen Zustandsbereich optimiert werden kann, jedoch für die meisten Bedingungen nicht optimal ist. Auch ermöglicht ein derartiges Kombinationsventil kein Unterdrucksetzen des Abgassystems während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine, ohne gleichzeitig ein hohes Ausmaß an rückgeführtem Abgas zu ermöglichen. Ein solches Kombinationsventil ist daher in bezug auf die Reduzierung von weißem Rauch eines Dieselmotors während des Kaltstarts und Aufwärmens weniger als optimal.
In einem anderen Versuch beschreibt die US-PS 5 533 487 ein EGR-System, das versucht, sowohl den statischen als auch den dynamischen Druck im EGR-System vorteilhaft auszunutzen. Das System beruht jedoch auf speziell konstruierten Abgas- und Einlaßleitungen für eine wirksame Funktion des Systems, was dessen Anwendbarkeit und Flexibilität begrenzt. Es bleibt ein Bedarf nach einem Abgasrückführsystem, das die vorhandenen Systeme verbessert und ohne weiteres für vorhandene Brennkraftmaschinensysteme geeignet ist.
Die WO 99/31375 beschreibt einen Turbolader mit einer integrierten Abgasrezirkulationskammer, wobei ein Auslaßventil in der Form eines Schmetterlingsventils in einem Abgasauslaß des Turboladers vorgesehen ist, das den Strom des Abgases aus der Turbine drosselt und somit den in der Turbine entstehenden Gegendruck steuert. Eine Abgasrückführkammer ist ebenfalls im Turboladergehäuse vorgesehen, die ein Steuerventil in der Form eines Schieber- oder Membranventils aufweist, welches die Rückführung des Abgases zum Einlass der Brennkraftmaschine steuert.
Die EP 1213468 , die in bezug auf die vorliegende Anmeldung Stand der Technik nach Artikel 54(3) EPÜ darstellt, beschreibt ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine, die Abgas erzeugt und Ansauggas empfängt, mit einem Turbolader zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader eine Turbine und eine Einlaßspirale in Strömungsverbindung mit der Turbine hat, die Spirale einen Durchlass zum Abzweigen eines Teiles des Abgases zum Ansauggas umfasst, einer Abgasrückführleitung, die an der Spirale befestigt ist, wobei die Abgasrückführleitung einen Einlass in Strömungsverbindung mit dem Durchlass hat, und einem Klappenventil, das zwischen dem Durchlass und der Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei das Klappenventil ein paddelartiges Ventilglied oder plattenförmiges Ventilglied hat, das bewegbar ist zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es eine Abgasströmung von der Einlaßspirale zu der Abgasrückführleitung unterbindet, und einer offenen Stellung, in der es sich in die Einlaßspirale erstreckt, um einen Teil des Abgases aus der Einlaßspirale zu der Abgasrückführleitung abzulenken.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine, die Abgas erzeugt und Ansauggas empfängt, geschaffen, welches umfaßt:
einen Turbolader zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader eine Turbine und eine Einlaßspirale in Strömungsmittelverbindung mit der Turbine hat, die Spirale einen Durchlaß zum Abzweigen eines Teils des Abgases zum Ansauggas umfaßt, eine Abgasrückführleitung, die an der Spirale befestigt ist, wobei die Abgasrückführleitung einen Einlaß in Strömungsmittelverbindung mit dem Durchlaß hat, und ein Klappenventil, das zwischen dem Durchlaß und der Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei das Klappenventil ein paddelartiges Ventilglied oder plattenfömiges Ventilglied hat, das bewegbar ist zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es eine Abgasströmung von der Einlaßspirale zu der Abgasrückführleitung unterbindet, und einer offenen Stellung, in der es sich in die Einlaßspirale erstreckt, um einen Teil des Abgases aus der Einlaßspirale zu der Abgasrückführleitung abzulenken, und ferner ein Abgasrückführventil mit einem Einlaß, der Abgas aus der Abgasrückführleitung empfängt und betätigbar ist, um Abgas dem Ansauggas der Brennkraftmaschine zuzuführen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennkraftmaschinensystem geschaffen, das umfaßt: eine Brennkraftmaschine, die Abgas erzeugt und Ansauggas mit einem ersten Druck empfängt, wobei die Brennkraftmaschine einen Ansaugtrakt und einen Abgastrakt hat, ein Abgasrückführsystem gemäß der Erfindung, einen ersten Sensor zum Erzeugen eines Signales entsprechend dem ersten Druck, einen zweiten Sensor zum Erzeugen eines Signales entsprechend dem Druck des Abgases, das dem Ansaugtrakt durch die Abgasrückführleitung zugeführt wird, und ein Steuergerät, das auf das erste und zweite Signal anspricht und das Klappenventil betätigt, um den zweiten Druck zu erhöhen, so daß der zweite Druck größer als der erste Druck ist.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner einen Turbolader zur Verwendung bei einem Abgasrückführsystem nach der Erfindung vor, der die folgenden Bestandteile umfaßt: eine Turbine, die eine Einlaßspirale hat, um im Betrieb Abgas zu empfangen, wobei die Spirale einen Durchlaß hat, um im Betrieb einen Teil des Abgases zu dem Ansauggas abzuzweigen, eine Abgasrückführleitung, die an der Spirale befestigt ist, um im Betrieb einen Teil des Abgases zu dem Ansauggas zu leiten, einen Kompressor, der im Betrieb von der Turbine angetrieben wird, um das Ansauggas unter Druck zu setzen, ein Klappenventil, das zwischen der Spirale und der Abgasrückführleitung angeordnet und zwischen einer geschlossenen Stellung zum Verhindern einer Strömung aus der Spirale zu der Abgasrückführleitung und einer offenen Stellung zum Abzweigen eines Teiles des Gases aus der Spirale zu der Abgasrückführleitung bewegbar ist, und ein Gehäuse zum Lagern der Turbine und des Kompressors.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Gesamtdruckabgasrückführleitung vor. Das System besitzt einen Turbolader zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine. Der Turbolader hat eine Turbineneinlaßspirale, die einen Durchlaß besitzt, um einen Teil des Abgases zum Ansauggas der Brennkraftmaschine abzulenken. Das von der Turbineneinlaßspirale abgelenkte Abgas wird dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine durch eine Abgasrückführleitung zugeführt, die an der Spirale befestigt ist. Die Abgasrückführleitung besitzt einen Einlaß, der benachbart zum Durchlaß in der Einlaßspirale angeordnet ist. Eine Klappenventileinheit ist zwischen dem Einlaßspiralendurchlaß und der Abgasrückführleitung angeordnet und verhindert oder ermöglicht einen Abgasstrom von der Turbineneinlaßspirale zur Abgasrückführleitung. Das System besitzt desweiteren ein Abgasrückführventil, um den Zufluß des Abgases zum Ansauggasstrom zu dosieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Klappenventileinheit eine längliche Drehwelle, die zwischen der Spirale und der Einlaßleitung angeordnet ist und mindestens ein freies Ende aufweist, das sich von der Spirale und der Abgasrückführleitungseinheit erstreckt. Ein Ventilelement ist an der Drehwelle befestigt und dreht sich zusammen mit der Welle. Das Ventilelement besitzt ein plattenförmiges Element, das im Durchlaß in der Einlaßspirale aufnehmbar ist. In seiner offenen Position erstreckt sich das Ventilplattenelement in den Abgasstrom und lenkt einen Teil des Abgasstromes in die Abgasrückführleitung ab. In der geschlossenen Position steht das Ventilelement in dichtender Anlage gegen den Einlaß zur Abgasrückführleitung und verhindert auf diese Weise das Eindringen von Abgas. Eine Kappe und eine Dichtung können am freien Ende der Drehwelle installiert sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Ventileinheit ferner Hochtemperaturhülsen zum Isolieren der Drehwelle.
Bei einer anderen Version der Erfindung besitzt die Klappenventileinheit ein plattenförmiges Element, das im Durchlaß der Einlaßspirale angeordnet und so ausgebildet ist, daß es den Einlaß der Abgasrückführleitung abdichtet, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet. Eine Ventilbetätigungsstange besitzt ein distales Ende, das am plattenförmigen Element befestigt ist, und ein proximales Ende, das sich durch einen Führungskanal erstreckt, der entweder in der Einlaßspirale oder in der Abgasrückführleitung vorgesehen ist. Die Betätigungsstange ist im Führungskanal gleitend bewegbar, um das plattenförmige Element zwischen der offenen und geschlossenen Position zu bewegen. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Führungskanal vorzugsweise eine Führung für die Betätigungsstange und eine Dichtung, um ein Lecken des Abgases aus dem Führungskanal zu verhindern.
Bei noch einer anderen Version der Erfindung ist ein Abgasrückführsystem vorgesehen, das einen Turbolader mit einer Einlaßspirale, eine an der Einlaßspirale befestigte Abgasrückführleitung und eine Klappenventileinheit zwischen der Einlaßspirale und der Leitung, die einen Abgasstrom von der Spirale ermöglicht oder verhindert, umfaßt. Diese Ausführungsform der Erfindung besitzt ferner Sensoren zum Überwachen des Drucks des Ansauggases und des Abgases. Ein Steuergerät überwacht diese Drucksignale und betätigt dann die Klappenventileinheit, um Abgas zum Mischen mit dem Ansauggas auf einem geeigneten Druck vorzusehen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform ist die Abgasrückführleitung einstückig mit der Einlaßspirale ausgebildet.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Abgasrückführleitung zu schaffen, die die kinetische Energie des Abgasstromes ausnutzt, um einen Gesamtdruck zu erzeugen, der ausreicht, um das Abgas in das Ansaugsystem durch das EGR-Ventil zu führen.
Noch ein anderes Ziel ist es, eine Leitung zu schaffen, die es ermöglicht, die EGR-Funktion und die Gegendrucksteuerung der Brennkraftmaschine unabhängig voneinander auszuführen.
Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nunmehr einige beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen mit einem Turbolader versehenen Brennkraftmaschine, die beispielhaft für den Stand der Technik ist;
2 eine perspektivische Ansicht, die einen Turbolader mit einem Gesamtdruck-EGR-Leitungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Klappenventileinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht der Klappenventileinheit und Turbinenspirale der Einheit der 2;
5 eine perspektivische Ansicht der Klappenventileinheit und des EGR-Leitungseinlasses der Einheit der 2;
6 eine perspektivische Ansicht von der Abgastraktmontagefläche der montierten Turbineneinlaßspirale, Klappenventileinheit und EGR-Leitung der 2;
7 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Klappenventils gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A eine Schnittansicht der Ventilplatte der 7; und
8 eine schematische Darstellung einer mit einem Turbolader versehenen Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitungssystem für das Abgas einer Brennkraftmschine, das von den Auslaßleitungen zu den Einlaßleitungen zurückgeführt wird.
1 zeigt schematisch eine mit einem Turbolader versehene Brennkraftmaschine 100 mit einem typischen Abgasrückführsystem 102. Die Brennkraftmaschine ist mit einem Turbolader ausgestattet, der generell mit 120 bezeichnet ist. Sie besitzt einen oder mehrere Zylinder 104 zur Erzeugung von Energie. Jeder Zylinder 104 erhält Ansauggas durch einen Ansaugstrang 106, der von einer Ansaugleitung 108 gespeist wird. Durch die Verbrennung von Kraftstoff und dem Ansauggas innerhalb des Zylinders wird ein Abgas erzeugt, das den Zylinder 104 in einen Abgasstrang 110 verläßt. Das Abgas strömt durch den Abgasstrang 110 in eine Abgasleitung 112.
Das Abgas in der Abgasleitung 112 wird dem EGR-System 102 zugeführt, das ein Drosselventil 114 und ein EGR-Ventil 140 enthalten kann. Das Drosselventil 114 kann den Strömungswiderstand in der Abgasleitung 112 in Abhängigkeit von einem Eingangssignal von einem nicht gezeigten Steuergerät verändern. Das Steuergerät bildet vorzugsweise einen Teil eines Motorsteuermoduls (ECM) oder ist in diesen eingebaut, der vorzugsweise sämtliche Funktionskomponenten der Brennkraftmaschine steuert. Durch den veränderlichen Strömungswiderstand wird daher der Druck des Abgases in der Leitung 112 und der Druck des Abgases, das dem Einlaß 142 des EGR-Ventils 140 zugeführt wird, verändert.
Das EGR-Ventil 140 bildet eine Einrichtung zum Steuern des Durchflusses des rückgeführten Abgases, das der Ansaugleitung 108 zugeführt wird, ebenfalls in Abhängigkeit von einem Eingangssignal vom Steuergerät oder der ECM. Der Auslaß 144 des EGR-Ventils 140 steht vorzugsweise in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaß 136 des Turboladerkompressors 124 und dem Ansaugstrang 106.
Ein Teil des Abgasses in der Leitung 112 dringt in den Einlaß 116 des Drosselventils 114 ein und passiert den Ventilauslaß 117. Der Auslaß 117 leitet das Abgas zur Turbineneinlaßleitung 118, die das Abgas der Turbine 122 des Turboladers 120 zuführt. Die Turbine 122 treibt einen Komperssor 124 über eine Rotorwelle 126 an, die durch Lager 128 im Turboladergehäuse 130 gelagert wird. Der Kompressor 124 wird mit Ansauggas durch die Ansaugleitung 134 versorgt. Komprimiertes Ansauggas wird dem Kompressorauslaß 136 und danach der Ansaugleitung 108 zugeführt.
In 2 ist ein Gesamtdruckabgasrückführleitungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das System besitzt eine Turbineneinlaßspirale 14, eine Abgsrückführ(EGR)leitung 16 und eine generell mit 20 bezeichnete Klappenventileinheit. In 2 ist die Einlaßspirale im am Turboladergehäuse 18 befestigten Zustand dargestellt, wobei der Abgasstrang 12 an der Einlaßspirale 114 fixiert ist.
3 zeigt die detaillierte Konstruktion von bestimmten Komponenten der Ventileinheit. Die Klappenventileinheit 20 besitzt eine Drehwelle 22, an der ein paddelförmiges Ventilglied 24 über den Halsabschnitt 27 des Ventilgliedes 24 befestigt ist. Das paddelförmige Ventilglied 24 ist vorzugsweise an der Drehwelle 22 befestigt und dreht sich zusammen mit dieser. Die Einheit umfaßt ferner Hochtempera turhülsen 26, die über den Enden der Drehwelle 22 installiert sind, um die Drehwelle 22 zu isolieren. Schließlich besitzt die Klappenventileinheit eine Kappe und eine Dichtung 28, die eine Dichtung gegen Gaslecks zwischen der Drehwelle 22 und den Drehwellenkanälen 38 und 46 bildet, wie in den 4 und 5 gezeigt. Die Kappe und Dichtung 28 können über diverse bekannte Einrichtungen, wie Sprengringe oder Schraubverbindungen, an Ort und Stelle gehalten werden.
4 zeigt die Turbineneinlaßspirale mit entferntem Abgasstrang und entfernter EGR-Leitung. Die Einlaßspirale 14 besitzt einen Montageflansch 30, der eine Montagefläche 32 für den Abgasstrang bildet, und eine Montagefläche 34 für die EGR-Leitung. Die Klappenventileinheit 20 ist im Drehwellenkanal 38 gelagert, der in der Montagefläche 34 ausgebildet ist. Das paddelförmige Ventilglied 24 ist im Durchlaß 36 der Einlaßspirale 14 angeordnet. Die Montagefläche 34 für die Spirale besitzt einen Schlitz 37 zwischen dem Durchlaß 36 und dem Drehwellenkanal 38, der den Halsabschnitt 27 des paddelförmigen Gliedes 24 aufnimmt.
In 5 ist die Klappenventileinheit 20 in Relation zur EGR-Leitung 16 dargestellt. Die Ventildrehwelle 22 und die Hülsen 26 befinden sich im Kanal 46 eines Leitungsflansches 40. Der Flansch 40 ist so ausgebildet, daß er auf der Montagefläche montiert ist, wobei der Einlaß 44 mit dem Durchlaß 36 in Verbindung steht. Das paddelförmige Ventilglied 24 ist in Relation zum EGR-Leitungseinlaß 44 dargestellt. Der Leitungseinlaß 44 wird von einer erhabenen Dichtungswand 45 umgeben, die vorzugsweise einen abgefasten Dich tungsrand 47 besitzt, der mit dem paddelförmigen Ventilglied 24 in Eingriff steht, wenn das Ventil geschlossen ist.
Die montierte Turbineneinlaßspirale 14, EGR-Leitung 16 und Klappenventileinheit 20 bilden das Gesamtdruckabgasrückführleitungssystem, das in 6 im montierten Zustand dargestellt ist. Von der Montagefläche 32 für den Abgasstrang aus gesehen ist das paddelförmige Ventilglied 24 in Relation zum Durchlaß 36 der Einlaßspirale 14 gezeigt. Das Innere der Dichtungswand 45 und ein Abschnitt des abgefasten Dichtungsrandes 47 sind ebenfalls zu erkennen.
Wie gezeigt, erstreckt sich das freie Ende 25 der Drehwelle 22 von der miteinander verbundenen EGR-Leitung 16 und Einlaßspirale 14 aus. Bei einer alternativen Ausführungsform des EGR-Leitungssystems kann die EGR-Leitung 16 einstückig mit der Einlaßspirale 14 ausgebildet sein. Das freie Ende 25 der Drehwelle kann so ausgebildet sein, daß es mit einer Betätigungseinheit oder einem Gestänge in Eingriff steht, das vom Steuergerät manipuliert wird. Ein variabler Motor oder eine variable Betätigungseinheit kann Verwendung finden, um die Welle und damit das paddelförmige Ventilglied um steuerbare Strecken zu drehen.
Eine andere Ausführungsform des Klappenventils ist in 7 gezeigt. Diese Schnittansicht zeigt die Einlaßspirale 49, die einen Einlaß 50 zum Aufnehmen des Abgases und einen Durchlaß 52, durch den Abgase abgelenkt werden können, aufweist. Eine Abgasrückführleitung 54 ist gezeigt, die an der Einlaßspirale 49 befestigt ist, um abgelenktes Abgas zu empfangen. Eine Ventilplatte 56 ist am distalen Ende 60 der Betätigungsstange 58 befestigt.
7A zeigt einen Schnitt durch die Ventilplatte 56 zur perspektivischen Darstellung. Das proximale Ende 62 der Betätigungsstange steht von der Leitung 70 in der Einlaßspirale vor. Alternativ dazu kann der Ventilmechanismus umpositioniert sein, so daß das Ventil über eine Leitung in der EGR-Leitung 54 betätigt wird. Die Einheit umfaßt ferner eine Betätigungsstangenführung 64, die eine Dichtung 66 aufweist, die ein Lecken des Abgases durch die Leitung 70 verhindert. Bei dieser Ausführungsform wird durch das Gleiten der Betätigungsstange 58 durch die Leitung 70 die Ventilplatte 56 betätigt. In ihrer offenen Position erstreckt sich die Platte 56 in den Abgasstrom und lenkt einen Teil des Abgasstromes in die EGR-Leitung 54. Auch hier kann wiederum bei einer alternativen Ausführungsform des Systems die EGR-Leitung 54 einstückig mit der Einlaßspirale 49 ausgebildet sein.
In Verbindung mit 8 wird nunmehr die Funktionsweise einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasrückführleitungssystems der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist eine mit einem Turbolader 170 und einem Abgasrückführleitungssystem 152 versehene Brennkraftmaschine 150 dargestellt. Ein oder mehrere Zylinder 154 werden mit Ansauggas über einen Ansaugstrang 156 beaufschlagt. Durch die Verbrennung des Brennstoffs und Ansauggases innerhalb der Zylinder 154 wird Abgas erzeugt, das die Zylinder 154 in den Abgasstrang 160 verläßt. Das Abgas strömt durch den Abgasstrang 150 in die Abgasleitung 162. Eine Turbineneinlaß leitung 168 führt das Abgas zur Turbine 172 des Turboladers 170. Das Klappenventil 164 ist zwischen der Turbineneinlaßleitung 168 und der Abgasrückführleitung 188 angeordnet. Im System der 8 ist ein EGR-Ventil 190 enthalten.
Abgas, das nicht vom Klappenventil 164 abgelenkt wird, dringt in die Turbine 172 ein und treibt den Kompressor 174 über die Rotorwelle 176 an. Die Rotorwelle 176 ist über Lager 178 gelagert, die vom Turboladergehäuse 180 gelagert werden. Das Abgas verläßt die Turbine 172 über die Leitung 182.
Der Kompressor 174 nimmt Ansauggas von der Ansaugleitung 184 auf und stellt komprimiertes Ansauggas am Kompressorauslaß 186 zur Verfügung. Das komprimierte Ansauggas wird dann der Leitung 158 zugeführt. Rückgeführtes Abgas vom EGR-Ventilauslaß 154 wird mit dem komprimierten Ansauggas vermischt, und das Gemisch wird dem Ansaugstrang 156 zugeführt.
Wie man ferner 8 entnehmen kann, wird die Funktionsweise des Systems von einem elektronischen Steuermodul 200 gesteuert, bei dem es sich vorzugsweise um ein digitales elektronisches Steuergerät mit einem Speicher und einer Zentraleinheit handelt. Alternativ dazu kann es sich bei der Steuereinheit 200 um eine programmierbare Logikeinheit handeln. Beide Arten von Steuereinheiten sind bekannt.
Verschiedene Sensoren im System liefern elektrische Signale an die Steuereinheit 200. Hierzu zählen Drucksensoren 157, 163 und 189, die auf den Ansauggasdruck, Abgasdruck und den Druck des rückgeführten Abgases ansprechen. Diese Sensoren sind als solche bekannt und erzeugen elektrische Ausgangsignale in Abhängigkeit vom Gasdruck. Die Steuereinheit 200 empfängt ferner Signale von Sensoren, die verschiedene Motorbetriebsparameter, wie den Motorzustand, die Motordrehzahl, die Motortemperatur, die Außentemperatur etc., überwachen. Diese Sensoren sind in 8 generell mit 155 bezeichnet, und es handelt sich hierbei um irgendwelche bekannte Typen zur Durchführung von solchen Funktionen.
Auf der Basis der verschiedenen Motorbetriebsparameter, die von den Sensoren bei 155 empfangen werden, zusammen mit Signalen von den Drucksensoren 157 und 163 betätigt die elektronische Steuereinheit 200 das EGR-Ventil 190 über die Betätigungseinheit 191, um eine geeignete Menge an rückgeführtem Abgas zu liefern. Gleichzeitig betätigt die Steuereinheit 200 das Klappenventil 164 über die Betätigungseinheit 169, um den erforderlichen Druck am EGR-Ventileinlaß 192 aufrechtzuerhalten, der für die Einführung in das Ansauggas erforderlich ist.
Bei den Betätigungseinheiten 191 und 169 handelt es sich um irgendwelche bekannte Einheiten zur Betätigung von jeglichen Ventilelementen. Hierzu können elektrische Schrittmotoren, hydraulische Betätigungseinheiten u.ä. gehören.
Wenn der Druck des rückgeführten Abgases erhöht werden muß, wird das Klappenventil 164 betätigt, um seine Öffnung zu vergrößern und das Volumen des abgelenkten Abgases zu erhöhen, wodurch der Gesamtdruck am Einlaß 192 des EGR-Ventils 190 erhöht wird. Wenn weniger Druck am EGR-Ventileinlaß 192 benötigt wird, wird das Klappenventil 164 entsprechend geschlossen, um den Abgasdruck am EGR-Ventil 190 zu verringern.
Das Abgas, das nicht zur Aufrechterhaltung des Drucks am EGR-Ventil 190 benötigt wird, kann das Ventil 160 passieren und in die Turbine 172 eindringen.

Claims

Abgasrückführungssystem (102) für eine Brennkraftmaschine, die Abgas erzeugt und Ansauggas empfängt, mit: einem Turbolader (120) zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine (100), wobei der Turbolader (120) eine Turbine (172) und eine Einlassspirale (14) in Strömungsverbindung mit der Turbine hat, die Spirale (14) einen Durchlass (36) zum Abzweigen eines Teils des Abgases zum Ansauggas umfasst, einer Abgasrückführleitung (16), die an der Spirale (14) befestigt ist, wobei die Abgasrückführleitung (16) einen Einlass (44) in Strömungsverbindung mit dem Durchlass (36) hat, und einem Klappenventil (20), das zwischen dem Durchlass (36) und der Abgasrückführleitung (16) angeordnet ist, wobei das Klappenventil (20) ein paddelartiges Ventilglied (24) oder plattenförmiges Ventilglied (56) hat, das bewegbar ist zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es eine Abgasströmung von der Einlassspirale (14) zu der Abgasrückführleitung (16) unterbindet, und einer offenen Stellung, in der es sich in die Einlassspirale erstreckt, um einen Teil des Abgases aus der Einlassspirale (14) zu der Abgasrückführleitung (16) abzulenken; und ferner mit einem Abgasrückführventil (130) mit einem Einlass (142), der Abgas aus der Abgasrückführleitung (16) empfängt und betätigbar ist, um Abgas dem Ansauggas der Brennkraftmaschine (100) zuzuführen.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1, bei dem das Klappenventil (20) umfasst: eine längliche Drehwelle (22), die zwischen der Spirale (14) und der Abgasrückführleitung (16) angeordnet ist und ein erstes sowie zweites Ende hat, welche mindestens ein freies Ende umfassen; ein Ventilglied (24), das an der Drehwelle (22) drehfest angebracht ist, wobei das Ventilglied (24) ein plattenförmiges Element (24) definiert, das von dem Durchlass (36) aufnehmbar ist, wobei das plattenförmige Element (24) so ausgebildet ist, dass es mit dem Einlass (44) der Abgasrückführleitung (16) in dichtender Anlage steht, wenn das Klappenventil (20) in der geschlossenen Stellung ist; und eine Kappe (28), die an dem mindestens einen freien Ende der Drehwelle (22) befestigt ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 2, bei dem die Kappe (28) eine Dichtung zum Verhindern einer Leckage des Abgases umfasst.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Klappenventil (20) mindestens eine Hülse (26) zur gleitenden Aufnahme eines Endes der Drehwelle (22) umfasst.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 4, bei dem die Einlassspirale (14) einen ersten Kanal (38) definiert und die Abgasrückführleitung (16) einen zweiten Kanal (46) definiert, wodurch der erste und zweite Kanal (38, 46) gemeinsam eine Bohrung zur Aufnahme der Drehwelle (22) und der mindestens einen Hülse (26) definieren, wenn die Abgasrückführleitung (16) an der Spirale (14) befestigt ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1, bei dem die Spirale (49) oder die Abgasrückführleitung (54) einen Führungskanal (70) umfasst und das Klappenventil (20) umfasst: ein plattenförmiges Element (56), das innerhalb des Durchlasses (52) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass es mit dem Durchlass (52) oder dem Einlass der Abgasrückführleitung (54) in dichtender Anlage steht, wenn das Klappenventil (20) in der geschlossenen Stellung ist; und eine Betätigungsstange (58) mit einem distalen Ende (60), das an dem plattenförmigen Element (56) befestigt ist, und einem proximalen Ende (52), das von dem Führungskanal (70) aufgenommen wird und innerhalb des Führungskanals (70) gleitbar ist, um das plattenförmige Element (56) zwischen der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung zu bewegen.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 6, welches ferner eine Führung (64) nächst des Führungskanals (70) umfasst, um das proximale Ende (62) der Betätigungsstange (58) zu lagern, wobei die Führung (64) eine Dichtung (66) zum Verhindern einer Leckage von Abgas aus dem Führungskanal (70) zu verhindern.
Abgasrückführsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abgasrückführleitung ein integraler Bestandteil der Einlassspirale (14) ist.
Maschinensystem mit: einer Brennkraftmaschine (100), die Abgas erzeugt und Ansauggas mit einem ersten Druck empfängt, wobei die Brennkraftmaschine einen Ansaugtrakt (136) und einen Abgastrakt (160) hat; einem Abgasrückführsystem (102) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einem ersten Sensor (157) zum Erzeugen eines ersten Signals entsprechend dem ersten Druck, einem zweiten Sensor (189) zum Erzeugen eines zweiten Signals entsprechend dem Druck des Abgases, das dem Ansaugtrakt (156) durch die Abgasrückführleitung (16) zugeführt wird; und einem Steuergerät (200), das auf das erste und zweite Signal anspricht und das Klappenventil (20) betätigt, um den zweiten Druck zu erhöhen, so dass der zweite Druck größer als der erste Druck ist.
Maschinensystem nach Anspruch 9 in Verbindung mit Anspruch 2, bei dem das Abgasrückführventil (140) durch das Steuergerät (20) auf der Grundlage des ersten und zweiten Drucks gesteuert wird.
Maschinensystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Steuergerät einen Computer umfasst.
Abgasturbolader zur Verwendung bei einem Abgasrückführsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Turbine (172), die eine Einlassspirale (14) hat, um im Betrieb Abgas zu empfangen, wobei die Spirale (14) einen Durchlass (36) hat, um im Betrieb einen Teil des Abgases zu dem Ansauggas abzuzweigen; einer Abgasrückführleitung (16), die an der Spirale (14) befestigt ist, um im Betrieb einen Teil des Abgases zu dem Ansauggas zu leiten; einem Verdichter (174), der im Betrieb von der Turbine angetrieben wird, um das Ansauggas unter Druck zu setzen; einem Klappenventil (20), das zwischen der Spirale (14) und der Abgasrückführleitung (16) angeordnet und zwischen einer geschlossenen Stellung zum Verhindern einer Strömung aus der Spirale (14) zu der Abgasrückführleitung (16) und einer offenen Stellung zum Abzweigen eines Teils des Gases aus der Spirale (14) zu der Abgasrückführleitung (16) bewegbar ist; und einem Gehäuse (130) zum Lagern der Turbine (132) und des Verdichters (174).
Abgasturbolader nach Anspruch 13, bei dem die Spirale (14) ein integraler Bestandteil des Gehäuses (180) ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Abgasrückführleitung (16) ein integraler Bestandteil der Spirale (14) ist.