DE69737840T2

DE69737840T2 - Abgasrückführung in Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69737840T2
Application number: DE69737840T
Authority: DE
Inventors: Norbert Louisville Paas
Original assignee: Foundation Coal Development Corp
Current assignee: Dry Systems Technologies Inc (n Dges D S Us
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: US5785030A; ZA9710359B; DE69737838D1; AU5794198A; EP1503070A2; WO1998027323A2; DE69732534D1; EP0956443A2; EP1503071A3; WO1998027323A3; DE69737838T2; EP1503071A2; EP1503070A3; EP1503070B1; DE69737840D1; EP0956443A4; EP1503071B1; EP0956443B1; DE69732534T2

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Abgasreinigungssysteme und insbesondere auf Abgasrückführsysteme für Dieselmotoren.
Technischer Hintergrund
Ein Problem bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren, wie Ottomotoren und Dieselmotoren, entsteht aus der Bildung von verschiedenen gasförmigen Stickoxiden (NO_x), wie z.B. Stickstoffoxid (NO), Distickstoffoxid (NO₂), etc., während des Verbrennungsprozesses. Bekanntermaßen trägt die Gegenwart dieser Verbindungen in den Abgasen erheblich zu den gesundheitsschädlichen Emissionen, die von diesen Motoren erzeugt werden bei. Allgemein gesagt ist die Menge der Stickoxide, die von einem Motor erzeugt werden proportional zur Verbrennungstemperatur und auch zu dem Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases. Die Bildung von Stickoxiden hängt auch zu einem gewissen Grad von dem maximalen Verbrennungsdruck ab.
Ein Verfahren um die Menge von gasförmigen Stickoxiden im Abgas zu verringern ist das Verringern der Verbrennungstemperatur durch Einspritzen von Wasser in den Brennraum. Obwohl solche Wassereinspritzsysteme mit gewissem Erfolg eingesetzt wurden, sind sie kein Allheilmittel. Zum Beispiel können Wassereinspritzsysteme in der Installation teuer sein und oft besondere Wartungsverfahren erfordern, um sie optimal in Betrieb zu halten. Ein anderes Problem im Zusammenhang mit Wassereinspritzung ist, daß während die Einspritzung von Wasser in die Brennkammer die insgesamte Verbrennungstemperatur reduziert, sie tendenziell den insgesamte Verbrennungsdruck steigert, was zur Bildung von zusätzlichen Stickoxiden (ihren kann, was natürlich teilweise die Stickoxidreduzierung aufhebt, die durch die niedrigeren Verbrennungstemperaturen erreicht wurde. Weiterhin kann das eingespritzte Wasser auch zur Bildung von Schwefelsäure (H₂SO₄) führen, wenn der Kraftstoff eine fühlbare Menge an Schwefel enthält, wie es bei vielen Dieselkraftstoffen der Fall ist.
Ein anderes Verfahren zur Verringerung des Stickoxidinhalts der Abgase ist das Rückführen eines Teils der Abgase in die Einströmleitung. Das rückgeführte Abgas mischt sich mit der einströmenden Luftfüllung und verringert deren insgesamten Sauerstoffinhalt, was natürlich bedeutet, daß während der Verbrennung weniger Sauerstoff zur Bildung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Solche Abgasrückführsysteme (EGR) haben sich bei der Verwendung mit herkömmlichen Motoren mit Zündkerzen oder Ottomotoren als sehr wirksam erwiesen. Tatsächlich werden EGR Systeme häufig in Pkws und LKWs mit Ottomotoren eingesetzt.
Leider hat es sich jedoch als wesentlich schwieriger erwiesen solche EGR Systeme in Selbstzündern oder Dieselmotoren einzusetzen. Eines der wesentlichen Probleme hängt mit verschiedenen Partikelverbindungen zusammen, die im Dieselmotorenabgas gefunden werden, die sich nicht im Abgas von Ottomotoren befinden.
Allgemein gesagt umfaßt der Feststoff (z.B. Ruß) im Dieselmotorenabgas kleine feste, unregelmäßig geformte Partikel, die wiederum Anhäufungen von kleineren Partikeln sind. Das Feststoffmaterial kann oft hochmolekulare Kohlenwasserstoffe aufweisen, die an ihrer Oberfläche absorbiert sind. Häufig ist das Feststoffmaterial eine komplexe Mischung von reinem Kohlenstoff und verschiedenen Arten von organischen Materialien, und die Größen können sich von sehr kleinen Partikeln von ungefähr 0,01 Mikrometern bis zu relativ großen Anhäufungen erstrecken, die Größen im Bereich von 10 bis 30 Mikrometer haben, und den Partikeln eine extrem feine und leichte Konsistenz, so ähnlich wie Mehl, geben. Dieselmotoren mit Turboladern geben in der Regel mehr kleinere Partikel mit wesentlich geringeren Niveaus von enthaltenen organischen Verbindungen ab.
Jedoch bedingt dies unabhängig von der Zusammensetzung des Partikelmaterials erhebliche Schwierigkeiten für den erfolgreichen Einsatz eines EGR Systems. Zum Beispiel schlägt sich das Partikelmaterial nahezu auf jeder Oberfläche nieder, mit der es in Berührung kommt, und kann sich innerhalb des EGR Ventils anhäufen, was einen vorzeitigen Verschleiß, oder sogar ein Versagen des Ventils bedingt. Das Partikelmaterial schlägt sich in der Regel auch an den Innenflächen der Einströmleitung und an den Einlaßventilen nieder, was die Motorleistung verringern kann, und den Verschleiß der Einlaßventile erhöhen kann. Die Gegenwart des Partikelmaterials in der eintretenden Gasfüllung kann auch den Verschleiß der Zylinder, Kolben, und Kolbenringe erhöhen.
Während es theoretisch möglich ist, die Stickoxidemissionen (NO_x) von Dieselmotoren unter Verwendung von EGR Systemen zu verringern, hat es sich als erheblich schwieriger erwiesen, ein EGR System zu konstruieren, das im praktischen Einsatz wirksam ist. Das heißt, die meisten EGR Systeme, die an Dieselmotoren verwendet werden, benötigen in der Regel viel Wartung, häufige Reinigung, und schlimmer noch, sie können die Lebensdauer des Motors verringern. Deshalb haben die meisten EGR Systeme für Dieselmotoren keine hohe Verbreitung gefunden.
Schriften des Stands der Technik, die zum Verstehen der Erfindung nützlich sein können, sind das U.S. Patent Nr. 5,205,265 mit dem Titel, „Exhaust Gas Recirculation System", zum Rückführen von Abgas von einem Motor, der mit einem Kompressor ausgerüstet ist, in das Einlaßsystem von einem Auslaßsystem, und mit einem Rückführkanal zum Rückführen von Abgas, das in den Abgasrückführkanal zu dem Abgassystem eingebracht wurde, und EP 0 596 855 mit dem Titel „Internal Combustion Engine with exhaust Gas Turbo Charger" zum Rückführen von Abgas von einem Verbrennungsmotor mit einem Gas-Turbolader durch Anordnen einer dem Wärmetauscher vorgeschalteten Abgasreinigungsvorrichtung, durch welche das zurückgeführte Abgas hindurchgeführt wird.
Demnach besteht ein Bedarf für ein EGR System, das bei Dieselmotoren wirksam verwendet werden kann. Das EGR System sollte eine erhebliche Verringerung des Stickoxidausstosses ermöglichen, ohne übermäßige Wartung, oder eine häufige Reinigung der verschiedenen Komponenten des EGR Systems zu erfordern. Andere Vorteile ergeben sich, wenn ein solches EGR System die Menge an Ruß reduziert, die im Einlaßsystem des Motors abgelagert wird, und damit im Vergleich zu einem herkömmlichen EGR System die Lebensdauer des Motors verlängert.
Beschreibung der Erfindung
Ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor kann ein EGR Ventil umfassen, das ein Einlassende aufweist, das mit der Abgasleitung des Motors verbunden ist, und ein Auslassende, das mit dem Einlassende eines Wärmetauschers verbunden ist. Das Auslassende des Wärmetauschers ist wiederum mit dem Einlassende einer Filteranordnung verbunden, deren Auslassende mit der Einströmleitung des Motors verbunden ist. Ein Ventilsteuersystem, das mit dem EGR Ventil verbunden ist, öffnet und schließt das Ventil wahlweise, um gekühlte und gefilterte Abgase in die Einströmleitung des Motors zu leiten. Ein intermittierendes Wassereinspritzsystem kann mit dem Einlassende des Wärmetauschers verbunden sein, und kann dazu verwendet werden, eine vorbestimmte Menge an Wasser in regelmäßigen Intervallen in den Einlaß des Wärmetauschers einzuspritzen, um angehäufte Rußablagerungen von den Innenflächen des Wärmetauschers zu entfernen.
Ebenfalls offenbart wird ein Verfahren zur Rückführung von Abgasen, die durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wurden, welches die Schritte umfaßt, zuerst aus der Abgasleitung eine bestimmte Menge von Abgasen abzuziehen, die rückgeführt werden sollen, und dann die Abgase in einem Wärmetauscher zu kühlen. Die gekühlten Abgase werden dann gefiltert, um festes Partikelmaterial zu entfernen, das darin mitgeführt wird, und werden danach in die Einströmleitung geleitet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anschauliche und derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, hierin sind:
1: eine schematische Ansicht des Abgasrückführsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2: eine Querschnittsansicht der Wärmetauscheranordnung von oben;
3: eine Querschnittsansicht der Filteranordnung von oben;
4: eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform des Abgasrückführsystems, wie es bei einem turbogeladenen Motor verwendet werden kann; und
5: eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Abgasrückführsystems, wie es mit einem Abgasreinigungssystem verwendet kann, wie es in unterirdischen Stollen verwendet werden kann, die eine explosive Atmosphäre aufweisen.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Ein Abgasrückführsystem (EGR) System 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 1 gezeigt, wie es in einem im Saugverfahren (d.h. ohne Turbolader) arbeitenden Dieselmotor 12, wie er üblicherweise in einer breiten Gruppe von Fahrzeugen eingesetzt wird, verwendet werden kann. Grundsätzlich kühlt das EGR System 10 zuerst das Abgas, welches zurückgeführt werden soll, filtert es danach, und löst damit im Wesentlichen die Probleme, die mit der Rückführung von heißen, mit Partikeln beladenen, Dieselabgasen in der Einströmleitung zusammenhängen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Abgasrückführsystem (EGR) 10 eine EGR Ventil Anordnung 14, einen Katalysator 16, eine Wärmetauscheranordnung 18, eine Filteranordnung 20, und ein Ventilsteuersystem 22. Die Anordnung ist so aufgebaut, daß die EGR Ventilanordnung 14 mit der Abgasleitung 24 des Dieselmotors 12 verbunden ist, während der Katalysator, der Wärmetauscher, und die Filteranordnungen 16, 18, 20 jeweils an aufeinander stromabwärts folgenden Orten in Bezug auf die EGR Ventilanordnung 14 angeordnet sind. Alternativ kann die EGR Ventilanordnung zwischen der Filteranordnung und der Einströmleitung angeschlossen sein, wie am Besten aus 5 sichtbar ist. Die EGR Ventilanordnung 14 kann durch ein Ventilsteuersystem 22, welches in einer bevorzugten Ausführungsform mit der Drosselventilanordnung 28 des Motors 12 verbunden ist, bedient (d.h. geöffnet und geschlossen) werden. Das Ventilsteuersystem 22 ist dazu ausgelegt, die EGR Ventilanordnung 14 zu öffnen, wenn der Motor 12 ungefähr mit Halbgas (50%) betrieben wird.
Das EGR System 10 kann wahlweise eine Katalysatoranordnung 16 enthalten, um zu einem bestimmten Grad die Menge an Partikelmaterial zu reduzieren, die in die betreffenden Wärmetauscher- und die Filteranordnungen 18 und 20 eintritt. Die wahlweise Katalysatoranordnung 16 kann ein Katalysatorbett enthalten, das einen beliebigen einer Vielfalt von Katalysatoren umfaßt, die zur Verwendung bei Dieselmotoren geeignet sind, z.B. Platin, Palladium, etc. Alternativ können andere Katalysatormaterialien verwendet werden, was für Fachleute nahe liegt. Während es die Primärfunktion der Katalysatoranordnung 16 ist, die Menge an Partikelmaterial zu verringern, die in den Wärmetauscher und die Filteranordnungen 18 und 20 eintritt, ist sie auch wirksam, um die Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlendioxid zu reduzieren.
Die Wärmetauscheranordnung 18 ist mit der Katalysatoranordnung 16 verbunden und kühlt die Abgase von relativ hohen Temperaturen im Bereich von ungefähr 922 K (1200°F) bis 1089 K (1500°F) auf niedrigere Temperaturen, die vorzugsweise ungefähr 422 K (300°F) nicht übersteigen. Die Verwendung der Wärmetauscheranordnung 18, um die Temperatur der rückgeführten Abgase zu verringern, ermöglicht damit ein vergleichsweise billiges Einwegpapierfilterelement 32 (3), welches dazu verwendet wird, um das Partikelmaterial aus den Abgasen zu entfernen. Die vergleichsweise kühlen rezirkulierten Abgase reduzieren auch den Temperaturanstieg des gesamten aufgenommenen Gasvolumens, wenn man dies mit konventionellen EGR Systemen vergleicht, die die Abgase nicht kühlen. Natürlich ermöglicht das kühlere aufgenommene Gasvolumen eine höhere Motorleistung, während der Zeiten, wenn Abgase rezirkuliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Wärmetauscheranordnung auch ein intermittierendes Wassereinspritzsystem 30, um in periodischen Abständen Rußaufhäufungen von den inneren Oberflächen des Wärmetauschers 18 zu entfernen, um den höchsten thermischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
Die Filteranordnung 20 ist mit der Wärmetauscheranordnung 18 und der Einströmleitung 26 verbunden, wie am Besten in 1 sichtbar ist. In einer Ausführungsform enthält die Filteranordnung 20 ein Einwegtieftemperaturfilterelement 32 (3). Das Filterelement 32 entfernt im Wesentlichen das gesamte feste Partikelmaterial von den katalytisch behandelten und gekühlten Abgasen 80 (3). Die gekühlten und gefilterten Abgase 83 (3) treten aus der Filteranordnung 20 aus und werden in den Einströmleitung 26 geführt, wo sie mit dem eintretenden Luftvolumen gemischt werden.
Das EGR System 10 funktioniert wie folgt: Wenn der Motor 12 leicht belastet wird, d.h. ungefähr mit Halbgas (d.h. 50%) betrieben wird, dann hält das Ventilsteuersystem 22 die EGR Ventilanordnung 14 in der geschlossenen Stellung, und alle Abgase treten aus dem Abgaskanal 24 über die Schaldämpferanordnung 36 aus. Das bedeutet, daß kein Abgas zirkuliert wird. Jedoch, wenn der Motor 12 mit mehr als Halbgas betrieben wird, dann öffnet das Ventilsteuersystem 22 die EGR Ventilanordnung 14. Das offene EGR Ventil 14 ermöglicht es, einen Teil der Abgase 34, die in der Abgasleitung 24 enthalten sind, in die Einströmleitung 26 über die verschiedenen Komponenten, die das EGR System 10 bilden, zu leiten.
Als erstes gelangen die rückzuführenden Abgase durch die Katalysatoranordnung 16. Die Katalysatoranordnung 16 behandelt die Abgase 34 katalytisch durch Verbrennen (d.h. Oxidieren) eines Teils der unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen. Das Verbrennen von unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen hat auch die Wirkung, zu einem bestimmten Grad die Menge der Festpartikel zu reduzieren, die sich innerhalb der Abgase befinden. Die Katalysatoranordnung 16 oxidiert auch einen Teil des Kohlenmonoxid (CO) Gases zu Kohlendioxid Gas (CO₂). Natürlich neigt die Hitze, die von den Oxidationsreaktionen, die in der Katalysatoranordnung 16 stattfinden freigesetzt wird, auch dazu, die Temperatur der Abgase zu erhöhen. Zum Beispiel liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die Temperaturen der katalytisch behandelten Abgase im Bereich von ungefähr 922 K (1220°F) bis 1089 K (1500°F).
Die katalytisch behandelten Abgase 76 (2), aus der Katalysatoranordnung 16, treten danach in die Wärmetauscheranordnung 18 ein. Der Hauptzweck des Wärmetauschers 18 ist es, die Temperatur der Abgase zu abzusenken, so daß ein vergleichsweise preisgünstiges Papierfilterelement 32 verwendet werden kann, um das feste Partikelmaterial aus den Abgasen zu filtern. In einer bevorzugten Ausführungsform kühlt die Wärmetauscheranordnung 18 das katalytisch behandelte Abgas 76 auf eine Temperatur herunter, die allgemein ungefähr 422 K (300°F) nicht übersteigt. Die gekühlten und katalytisch behandelten Abgase 80 gelangen danach in die Filteranordnung 20, die im Wesentlichen das gesamte Partikelmaterial aus dem Abgas entfernt. Die gefilterten Abgase 83 werden dann in die Einströmleitung 26 geleitet, wo sie mit dem Einlaßgasvolumen gemischt werden, und in die Zylinder gesaugt werden.
Von Zeit zu Zeit ist es während des EGR Betriebs nötig, den angesammelten Ruß von internen Flächen der Wärmetauscheranordnung 18 zu entfernen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der angehäufte Ruß durch in Betrieb nehmen des intermittierenden Wassereinspritzungssystems 30 entfernt werden. Im Wesentlichen entfernt das intermittierend arbeitende Wassereinspritzungssystem 30 die Rußablagerungen durch Einspritzen einer kleinen Menge von Wasser 98 (2) in die heißen, katalytisch behandelten Abgase 76, die in den Wärmetauscher 18 eintreten. Nach dem Kontakt mit den heißen, katalytisch behandelten Abgasen 76 verdampft das Wasser 98 beinahe sofort. Der Dampf dehnt sich sehr schnell aus und erzeugt eine Druckwelle, die den angesammelten Ruß von den inneren Flächen der Kühlrohre 58 entfernt, und ihn zu der Filteranordnung 20 trägt, wo er aus den Abgasen entfernt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des EGR Systems 10 ist, daß es die praktische Anwendung von EGR in Dieselmotoren, oder in jedem anderen Motorentyp ermöglicht, der vergleichsweise hohe Mengen von Partikelmaterial in den Abgasen erzeugt. Die Filteranordnung 20 entfernt eine erhebliche Menge des festen Partikelmaterials aus dem Abgas, das rückgeführt werden soll, und vermeidet damit Probleme, die mit dem Rußaufbau in dem Einlaßsystem des Motors zu tun haben, d.h. der Einströmleitung und den Ventilen. Die gefilterten, rückgeführten Abgase verringern auch den Verschleiß an den Zylindern, Kolben, und Ringen.
Ein anderer Vorteil des EGR Systems 10 ist es, daß die Temperatur der rückgeführten Abgase wesentlich niedriger ist, als es in konventionellen EGR Systemen der Fall ist, wo die rückgeführten Abgase nicht gekühlt werden. Die vergleichsweise kühlen rezirkulierten Abgase ermöglichen die Verwendung eines vergleichsweise preisgünstigen Papierfilterelements. Die niedrige Temperatur der rückgeführten Abgase verhindert auch, daß sie die Gesamttemperatur des angesaugten Luftvolumens allzu sehr erhöhen, und erhöht damit die Motorleistung.
Das intermittierend arbeitende Wassereinspritzsystem 30 hat noch weitere Vorzüge. Zum Beispiel sorgt das Wassereinspritzsystem 30 für einen wirksameren und einfachen Weg, um die Innenflächen des Wärmetauschers 18 zu reinigen, ohne das System abschalten zu müssen, und den Wärmetauscher 18 zur Reinigung zerlegen zu müssen.
Nach der Beschreibung des EGR Systems 10, zusammen mit einigen seiner wichtigeren Merkmale und Vorzüge, werden nun verschiedene Ausführungsformen des EGR Systems gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Mit Bezug auf 1 wird nun eine Ausführungsform 10 des EGR Systems gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wie es in Verbindung mit einem im Saugverfahren betriebenen, d.h. nicht aufgeladenen Dieselmotor 12, wie er in der Technik gut bekannt ist, verwendet wird. Festzuhalten ist, daß der betreffende Motor und die betreffende Motoranwendung nicht wichtig sind, um die Ziele der Erfindung zu erreichen. Tatsächlich kann das EGR System 10 gemäß der Erfindung auf einer großen Vielzahl von Motorentypen und Motorengrößen verwendet werden, die einen breiten Anwendungsbereich haben, wie z.B. im Automobil, LKW, Schiff, und bei der Stromerzeugung, um nur einige zu nennen.
Im Grunde umfaßt das EGR System 10 eine EGR Ventilanordnung 14, eine Katalysatoranordnung 16, eine Wärmetauscheranordnung 18, und eine Filteranordnung 20. Das EGR System 10 enthält auch ein Ventilsteuersystem 22, um den Betrieb der EGR Ventilanordnung 14 zu steuern, und kann im Betrieb ein intermittierend arbeitendes Wassereinspritzsystem 30 enthalten, um die Wärmetauscheranordnung 18 periodisch zu reinigen, um einen maximalen thermischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
Die EGR Ventilanordnung 14 kann ein konventionelles EGR Ventil 42, wie z.B. ein Tellerventil umfassen, das ein Einlassende 38 und ein Auslassende 40 aufweist. Das Einlassende 38 des Tellerventils 42 ist mit der Abgasleitung 24 verbunden, während das Auslassende 40 mit dem Einlassende 44 der Katalysatoranordnung 16 verbunden ist. Das Tellerventil 42 ist so ausgelegt, daß es als Antwort auf das Ventilsteuersignal 46, das von dem Ventilsteuersystem 22 erzeugt wird, geöffnet und geschlossen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die EGR Ventilanordnung 14 ein EGR Ventil mit der Modell Nr. 7.21999.00.0, das bei Pierburg GmbH, Neuss, Deutschland, erhältlich ist. Alternativ kann die Ventilanordnung 14 jedes andere aus einer großen Gruppe von EGR Ventilen enthalten, die im Handel verfügbar sind.
Das Ventilsteuersystem 22 kann eine beliebige Vielzahl von Formen in Abhängigkeit von dem speziell ausgewählten EGR Ventil 42 annehmen, und auch in Abhängigkeit von dem speziellen Motor 12. Zum Beispiel, wenn das EGR Ventil 42 ein hydraulisch betätigtes Ventil umfaßt, dann soll das Ventilsteuersystem 22 ein hydraulisches Betätigungssystem umfassen, das zum Betrieb des Hydraulikventils 42 geeignet ist. In ähnlicher Weise, wenn das EGR Ventil 42 ein pneumatisch betätigtes Ventil umfaßt, dann soll das Ventilsteuersystem 22 ein pneumatisches Signal liefern, das zum Betätigen des Ventils geeignet ist. Auf jeden Fall soll das Ventilsteuersystem 22 auf die Drosselklappenstellung des Motors ansprechen, so daß die EGR Ventilanordnung 14 in Abhängigkeit der Drosselklappe des Motors (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen werden kann. Alternativ, kann das Ventilsteuersystem mit anderen Motorsteuersystemen verbunden sein (d.h. mit einer Kraftstoffsteuereinheit (nicht gezeigt), oder einem elektronischen Motorsteuergerät (nicht gezeigt)), und entweder auf die Drosselklappenposition, den Saugrohrunterdruck, die Motordrehzahl, oder jeden anderen Parameter oder eine Kombination von Parameter ansprechen, die allgemein verwendet werden, um geeignete Öffnungspunkte für EGR Ventile zu ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuersystem 22 mit dem Drosselklappenkörper 28 verbunden, der der Einströmleitung 26 zugeordnet ist, und so ausgelegt oder „programmiert" ist, daß es die EGR Ventilanordnung 14 öffnet, wenn der Motor 12 ungefähr mit Halbgas (d.h. 50%) oder darüber betrieben wird. Es ist jedoch festzuhalten, daß die genaue Drosselklappenstellung, bei der das Ventilsteuersystem die EGR Ventilanordnung 14 öffnet, nicht kritisch ist. Tatsächlich können die einzelnen Motor-, Installations- und/oder Abgasanforderungen es erforderlich machen, daß das Ventilsteuersystem 22 so konstruiert oder programmiert wird, daß es die EGR Ventilanordnung 14 bei Drosselklappenstellungen, die von 50% verschieden sind, öffnet. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht durch ein bestimmtes Verhältnis von EGR Ventil- zu Drosselklappenposition eingeschränkt.
Beispielsweise umfaßt das Ventilsteuersystem 22, das in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, ein Ventilsteuersystem mit der Modell Nr. M71-100, erhältlich bei Paas Technologies, Inc., Louisville, CO 80027, obwohl jede einer großen Gruppe von Ventilsteuervorrichtungen und
-Systemen auch verwendet werden kann.
Wie bereits erwähnt, wird es vorgezogen, ist es aber nicht erforderlich, daß die EGR Anordnung 10 eine Katalysatorenanordnung 16 enthält, um die rückzuführenden Abgase katalytisch zu behandeln. Der Hauptvorteil, der mit der Verwendung einer Katalysatorenanordnung 16 zusammenhängt ist, daß das Katalysatorenbett (nicht gezeigt), welches darin enthalten ist, die Menge von Partikelmaterial, die in den rückgeführten Abgasen enthalten ist, in einem bestimmten Maß verringert. Die Katalysatorenanordnung 16 verringert auch die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und Kohlenmonoxid in den Abgasen.
Dann kann die Katalysatorenanordnung 16 im Wesentlichen jede einer breiten Gruppe von Katalysatorenanordnungen umfassen, die üblicherweise zusammen mit Dieselmotoren verwendet wird, deren Auswahl für einen Fachmann in Abhängigkeit von dem bestimmten Motor, oder der Anwendung naheliegend ist. Zum Beispiel kann eine solche Katalysatorenanordnung ein allgemein zylindrisch geformtes äußeres Gehäuse 48 umfassen, das ein Einlassende 44 und ein Auslassende 50 aufweist. Das Einlassende 44 ist mit dem Auslassende 40 der Ventilanordnung 14 verbunden, während das Auslassende 50 mit dem Einlassende 52 der Wärmetauscheranordnung 18 verbunden ist. Das äußere Gehäuse 48 ist dazu ausgelegt, das Katalysatorenbett (nicht gezeigt) aufzunehmen, das Katalysatormaterial, wie z.B. Platin, Palladium, Rhodium, etc., enthält, das dazu geeignet ist, Abgase 24 aus dem Motor 12 katalytisch zu behandeln. Beispielsweise verwendet eine bevorzugte Ausführungsform eine Katalysatoranordnung, die von Syncat, Louisville als Modell Nr. S08 erhältlich ist.
Die Einzelheiten der Wärmetauscheranordnung werden am Besten aus 2 ersichtlich. Hauptsächlich umfaßt die Wärmetauscheranordnung 18 ein Gehäuse 54, das ein Einlassende 52 und ein Auslassende 56 aufweist. Das Gehäuse 54 ist dazu angepaßt eine Mehrzahl von Kühlrohren 58 aufzunehmen, die zwischen zwei Stützwänden 60, 62 angebracht sind. Die Stützwände 60, 62 und das Gehäuse 54 bilden einen Wasserkasten 64. Kühlwasser, gekennzeichnet durch die Pfeile 66, tritt in die Kammer 64 durch einen Wassereinlaß 68 ein, und tritt aus der Kammer 64 durch einen Auslaß 70 aus. Das Kühlwasser kann von einem externen Kühler 72 gekühlt werden, und von einer Kühlmittelpumpe 74 umgewälzt werden, wie am besten aus 1 sichtbar wird. Der externe Kühler 72 und die Pumpe 74 können verschiedene Komponenten umfas sen, oder können den Motorkühler und die Motorwasserpumpe (nicht gezeigt) umfassen, wie es für einen Fachmann naheliegend ist.
Im Betrieb treten dann die heißen, katalytisch behandelten Abgase 76 von der Einströmleitung 78 durch die Kühlrohre 58 aus, wo sie gekühlt werden, und sie treten in die Auslaßöffnung 56 als gekühlte Abgase 80 ein. Die thermische Kapazität der Wärmetauscheranordnung 18 sollte natürlich mit dem Volumen der rückzuführenden Abgase übereinstimmen, und auch mit der maximal zulässigen Temperatur der gekühlten Abgase, die in die Filteranordnung 20 eintreten. Wie oben beschrieben, ist der Wärmetauscher 18 in einer bevorzugten Ausführungsform groß genug, um die heißen, katalytisch behandelten Abgase 76 von Temperaturen im Bereich von ungefähr 922 K (1200° F) bis 1089 K (1500° F) auf Temperaturen herunterzukühlen, die vorzugsweise ungefähr 422 K (300° F) nicht übersteigen.
Es wird vorgezogen, ist aber nicht erforderlich, daß die Wärmetauscheranordnung 18 ein intermittierendes Wassereinspritzsystem 30 enthält, um in regelmäßigen Abständen den angesammelten Ruß (nicht gezeigt) von den inneren Oberflächen der Kühlrohre 58 zu entfernen, um einen maximalen thermischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Wie oben beschrieben neigt das Festkörpermaterial, das in den Abgasen 34 von dem Dieselmotor 12 enthalten ist, dazu, sich auf nahezu jeder Oberfläche anzusammeln, mit der es in Kontakt kommt, einschließlich der Innenflächen der Kühlrohre 58. Da übermäßige Rußanhäufung die Wärmeübertragung, d.h. den thermischen Wirkungsgrad des Wärmetauschers 18 entscheidend beeinflussen kann, wird das intermittierende Wassereinspritzsystem 30 dazu verwendet, ein Mittel zur Verfügung zu stellen, um den angehäuften Ruß periodisch von den Innenflächen der Kühlrohre 58 zu entfernen.
Wenn man nun die 1 und 2 gemeinsam betrachtet, dann kann das intermittierende Wassereinspritzsystem 30 einen Behälter 90 zum Aufnehmen eines Wasservorrats 92 umfassen. Eine Pumpe 94, die zwischen dem Behälter 90 und einer Einspritzdüse 96 (2) angeschlossen ist, kann dazu verwendet werden, um einen feinen Strahl 98 mit Wasser 92 in die Einströmleitung 78 der Wärmetauscheranordnung 18 einzuspritzen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pumpe 94 eine Kolbenpumpe mit geringem Hubvolumen umfassen, die mit einem Griff (nicht gezeigt) betätigt werden kann, um eine kleine Wassermenge (z.B. ungefähr 1 oz.) durch die Düse 96 zu pumpen. Jedoch ist die spezielle Art der verwendeten Pumpe nicht ausschlaggebend, und es ist festzuhalten daß eine große Vielzahl von anderen Arten von Pumpen verwendet werden kann, ohne über den Umfang der Erfindung hinauszugehen. Zum Beispiel kann die Pumpe 94 automatisch durch ein pneumatisches oder hydraulisches Betätigungssystem betätigt werden, das entweder von Hand, oder automatisch ausgelöst werden kann.
Wie im Folgenden genauer beschrieben wird, verdampft der feine Wasserstrahl 98 nahezu sofort (nicht gezeigt), wenn er mit den heißen katalytisch behandelten Abgasen 76 in Kontakt kommt, wobei der Dampf sich sehr schnell ausdehnt, und eine Druckwelle erzeugt, die durch die Kühlrohre 58 fortschreitet, und angesammelten Ruß mit Nachdruck ablöst, und von den Innenflächen der verschiedenen Kühlrohre 58 ausbläst. Der abgelöste Ruß wird stromabwärts getragen, wo er von der Filteranordnung 20 aufgenommen wird.
Die Filteranordnung 20 ist am Besten in 3 zu sehen, und kann ein allgemein zylindrisch geformtes Gehäuse 82 umfassen, das ein Einlassende 84 und ein Auslassende 86 aufweist. Das Einlassende 84 wird an das Auslassende 56 der Wärmetauscheranordnung 18 angeschlossen, wohingegen das Auslassende 86 an die Einlaßleitung 26 über ein geeignetes Rohr 87 angeschlossen ist (siehe 1). Das Gehäuse 82 ist an einem Ende offen, und ist dazu ausgelegt, ein allgemein zylindrisch geformtes Filterelement 32 aufzunehmen. Das offene Ende kann von einer Endplatte 88 abgedeckt sein. Wenn das Filterelement 32 verstopft wird, dann kann die Endplatte 88 entfernt werden, und der alte Filter kann von dem Gehäuse 82 entfernt werden. Ein neues Filterelement kann dann stattdessen eingelegt werden, und die Endplatte 88 kann wieder angebracht werden.
In vorteilhafter Weise erlaubt es der Wasser gekühlte Wärmetauscher 18, ein preisgünstiges Einwegfilterelement 32 zu verwenden. Während eine große Vielzahl von Filtern im Handel verfügbar ist, und verwendet werden kann, natürlich in Abhängigkeit von der maximal zu erwarteten Temperatur der gekühlten Abgase 80, verwendet eine bevorzugte Ausführungsform einen Einwegpapierfilter, der von Dry Systems Technologies, Louisville, CO 80027, erhältlich ist.
Das EGR System 10 kann betrieben werden, so daß ein Teil der Abgase 34 von dem Motor 12 in die Einströmleitung 26 zurückgeführt wird, wenn der Motor 12 unter Last und/oder mit hoher Drehzahl betrieben wird. Zum Beispiel ist das Ventilsteuersystem 22, das einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zugeordnet ist, dazu ausgelegt, oder „programmiert", die Ventilanordnung 14 zu öffnen, wenn der Motor 12 ungefähr mit Halbgas betrieben wird. Die Ventilanordnung 14 bleibt geschlossen, wenn der Motor 12 sich im Leerlauf befindet, oder mit weniger als ungefähr Halbgas betrieben wird. Wenn das Ventil 14 offen ist, dann wird eine geringe Menge von Abgasen 34, die in der Abgasleitung 24 enthalten sind, abgezogen, um in die Einströmleitung 26 rückgeführt zu werden. Die Abgase 34 gelangen zuerst durch das Ventil 14 und die Katalysatoranordnung 16. Das Katalysatorbett (nicht gezeigt), das innerhalb des Gehäuses 48 der Katalysatoranordnung 16 enthalten ist, verbrennt oder oxidiert weiterhin die Abgase 34, was die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und enthaltenem Feststoffpartikelmaterial verringert. Das Katalysatorbett (nicht gezeigt), das innerhalb der Katalysatoranordnung 16 enthalten ist, oxidiert auch Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂). Natürlich setzt die zusätzliche Oxidation der Abgase 34, die durch die Katalysatoranordnung 16 gelangen, zusätzlich Wärme frei, die die Temperatur der katalytisch behandelten Abgase 76 erhöht.
Die heißen, katalytisch behandelten Abgase 76 aus der Katalysatoranordnung 16 treten als nächstes in die Einströmleitung 78 des Wärmetauschers 18 ein. Mit Bezug auf 2, durchqueren die katalytisch behandelten Abgase 76 verschiedene Kühlrohre 58 im Wärmetauscher 18, wobei sie durch das Wasser (dargestellt durch die Pfeile 66), das durch den Wasserkasten 64 zirkuliert, gekühlt werden. Die Abkühlung, die von der Wärmetauscheranordnung 18 erreicht wird, sollte ausreichen, so daß die gekühlten und katalytisch behandelten Abgase 80, die aus dem Wärmetauscher 18 austreten, kühl genug sind, um zu verhindern daß das Filterelement 32, das in der Filteranordnung 20 enthalten ist, in Brand gesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform, die ein Einwegpapierfilterelement 32 verwendet, sollte die Temperatur der Abgase 80 422 K (300° F) nicht übersteigen. Festzuhalten ist jedoch, daß die maximale Temperatur der gekühlten Abgase 80 höher oder tiefer sein kann, als 422° K, in Abhängigkeit von der maximalen Temperatur, die von dem Filterelement 32 toleriert wird.
Folglich sollten die gekühlten Abgase 80 nicht als auf eine bestimmte Temperatur, oder einen Temperaturbereich eingeschränkt angesehen werden.
Wenn man nun 3 betrachtet, dann treten die gekühlten Abgase 80 von der Wärmetauscheranordnung 18 in die Filteranordnung 20 ein, die im Wesentlichen das gesamte verbleibenden Partikelmaterial entfernt, das in den Abgasen 80 mitgerissen wird. Genauer gesagt, treten die gekühlten Abgase 80 in den Mittelabschnitt 85 des Gehäuses 82 der Filteranordnung 20 ein, gelangen durch das Filterelement 32, und treten durch den Auslaß 86 aus. Die gekühlten und gefilterten Abgase 83 werden dann über das Rohr 87 in die Einströmleitung 26 geführt (1), wo sie mit dem eintretenden Einlaßluftvolumen gemischt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, ist es wünschenswert, das Wassereinspritzsystem 30 zu verwenden, um periodisch die Kühlrohre 58 zu reinigen, die in der Wärmetauscheranordnung 18 enthalten sind. Die Reinigung wird am Besten dadurch ausgeführt, daß zuerst die Drehzahl des Motors 12 nahezu auf Maximaldrehzahl gesteigert wird, um eine hohe Abgasströmungsrate durch das EGR System 10 sicherzustellen. Der Betreiber (nicht gezeigt) kann dann die Pumpe 94 betätigen, um einen kleinen Strahl 98 mit Wasser 92 in den Einströmkanal 78 der Wärmetauscheranordnung 18 zu injizieren. Das injizierte Wasser 92 verdampft nahezu sofort, und der Dampf dehnt sich aus und erzeugt eine Druckwelle, die sich entlang der Kühlrohre 58 fortpflanzt. Die Druckwelle entfernt angehäuften Ruß mit Nachdruck von den Innenflächen der Kühlrohre 58 und bläst den angehäuften Ruß aus. Der entfernte Ruß wird dann stromabwärts zu der Filteranordnung 20 getragen, wo er von dem Filterelement 32 festgehalten wird.
In Abhängigkeit von der Kapazität des Filterelements 32 kann es erforderlich sein, das Element durch ein neues Element zu ersetzten, nachdem der Reinigungsprozess ausgeführt ist. Wenn jedoch die Kapazität des Filterelements 32 vergleichsweise hoch ist, dann können verschiedene Reinigungsoperationen ausgeführt werden, bevor das Filterelement 32 ausgewechselt werden muß.
Eine andere Ausführungsform 110 des EGR Systems gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 4 gezeigt, wie sie in Verbindung mit einem Dieselmotor 112 ver wendet werden kann, der mit einem Turbolader 129 ausgerüstet ist. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform 10 enthält die zweite Ausführungsform 110 des EGR Systems zwei EGR Ventile 114, 115, die parallel geschaltet sind. Jedes Ventil 114, 115 wird unabhängig von dem Ventilsteuersystem 122 gesteuert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ventil 114 ungefähr bei halber Drosselung geöffnet, während das zweite Ventil 115 bei ungefähr 75% Drosselung geöffnet wird. Deshalb ist die Doppelventilanordnung in der Lage, eine gesteigerte Abgasrückführung bei höheren Motordrehzahlen durchzuführen.
Mit Bezug auf 4, wird nun das Einlassende 138, 139 einer jeden betreffenden Ventilanordnung 114, 115 mit der Abgasleitung 124 verbunden, wohingegen die betreffenden Auslassenden 140 und 141 mit dem Einlassende 144 der Katalysatoranordnung 116 verbunden sind. Jede Ventilanordnung 114, 115 wird mit dem Ventilsteuersystem 122 verbunden, und wird unabhängig durch betreffende Ventilsteuersignale 146, 147 betätigt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann jede Ventilanordnung 114, 115 identisch sein, und kann ein Tellerventil der bereits beschriebenen Art umfassen.
Das Ventilsteuersystem 122 ist auch mit der Drosselklappe 128 verbunden und kann im Wesentlichen identisch gleich mit dem Ventilsteuersystem 122 für die erste Ausführungsform 10 sein, die in 1 gezeigt wird, mit der Ausnahme, daß es dazu ausgelegt sein sollte, zwei Ventilsteuersignale 146, 147 zur Verfügung zu stellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuersystem 122 dazu ausgelegt, oder „programmiert", die erste Ventilanordnung 114 bei ungefähr halber Drosselung (d.h. 50%) zu öffnen, und die zweite Ventilanordnung 115 bei ungefähr ¾ Drosselung (d.h. 75%) zu öffnen. Das Öffnen der zweiten Ventilanordnung 115 erlaubt deshalb das Rückführen von zusätzlichem Abgas 134 während des Betriebs unter hoher Last und/oder bei hoher Drehzahl.
Die Verwendung von zwei EGR Ventilen (z.B. 114, 115), die parallel angeschlossen sind, stellt ein geeignetes Mittel zur Verfügung, um die Menge an Abgas zu steigern, das bei großen Drosselklappenöffnungsstellungen zurückgeführt wird, was bei bestimmten Anwendungen, oder für bestimmte Motoren wünschenswert sein kann. Jedoch ist die Verwendung von zwei Ventilen nicht zwingend erforderlich, und die vor liegende Erfindung sollte nicht als auf die parallele Ventilanordnüng beschränkt angesehen werden. Tatsächlich können bestimmte Motoren, Anwendungen, oder gewünschte Abgasspezifikationen es wünschenswert machen, ein einzelnes EGR Ventil (z.B. 14) zu verwenden, wie in 1 gezeigt.
Wenn man weiterhin 4 betrachtet, dann kann das EGR System 110 eine wahlweise Katalysatoranordnung 116 enthalten, die mit den Auslassenden 140, 141 der betreffenden Ventilanordnungen 114, 115 verbunden ist, um die Menge des Feststoffpartikelmaterials zu verringern, die in dem rückgeführten Abgas enthalten ist. Die Katalysatoranordnung 116 kann mit der Katalysatoranordnung 16 identisch sein, die in der ersten Ausführungsform 10 verwendet wird, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß sie ein geringfügig größeres Volumen benötigt, um den gesteigerten Abgasstrom aufzunehmen, der durch die Verwendung der parallelen Ventilanordnungen 114, 115 bedingt ist.
Wie im Fall der ersten Ausführungsform 10 enthält die zweite Ausführungsform 110 auch einen Wärmetauscher 118, und eine Filteranordnung 120, die an entsprechenden stromabwärts befindlichen Orten der Katalysatoranordnung 116 angeschlossen sind. Hier können wiederum die Wärmetauscheranordnung 118 und die Filteranordnung 120 identisch mit dem Wärmetauscher 18 und der Filteranordnung 20 sein, die für die erste Ausführungsform 10 gezeigt und beschrieben wurden. Natürlich kann es erforderlich oder wünschenswert sein, die Kapazitäten dieser betreffenden Komponenten zu erhöhen, um den gesteigerten Abgasstrom aufzunehmen, der aus der parallelen Ventilanordnung entsteht. Der Auslaß 186 der Filteranordnung 120 ist mit dem Einlaßsystem durch einen geeigneten Schlauch, oder ein Rohr 187 verbunden, vorzugsweise an einem Punkt, der sich in Strömungsrichtung oberhalb des Verdichterabschnitts 127 der Turboladeranordnung 129 befindet.
Die Wärmetauscheranordnung 118 kann durch eine Versorgung mit Kühlwasser (nicht gezeigt) gekühlt werden, die durch einen Kühler 172 durch eine geeignete Pumpenanordnung 174 zirkuliert wird. Alternativ können jedoch auch andere Arten von Kühlsystemen verwendet werden, wie es für einen Fachmann nahe liegt. Die Wärmetauscheranordnung 118 kann auch ein intermittierendes Wassereinspritzsystem 130 enthalten, um den angehäuften Ruß periodisch von den Innenflächen der Wärmetauscheranordnung 118 zu entfernen, wie es bereits beschrieben wurde.
Der Betrieb der zweiten Ausführungsform 110 des EGR Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich gleich dem Betrieb der ersten Ausführungsform 10. Jedoch öffnet zusätzlich zu der Öffnung des Ventils 114 bei ungefähr 50% Drosselklappenstellung das Ventilsteuersystem auch das zweite Ventil 115, wenn die Drosselklappe ungefähr 75% geöffnet wird, womit die Menge an rückgeführtem Abgas in die Einlaßleitung 126 erhöht wird. Wie oben festgestellt, können die betreffenden Öffnungspunkte der Ventilanordnungen 114, 115 unterschiedlich sein, in Abhängigkeit von dem betreffenden Motor, der Installation, und den Abgasspezifikationen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die hier beschriebenen Ventilöffnungspunkte beschränkt angesehen werden.
Eine dritte Ausführungsform 210 des EGR Systems gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 5 gezeigt, wie sie auf einem Motor 212 verwendet werden kann, der mit einem Abgasbehandlungssystem ausgerüstet ist, wie es in meinem U.S. Patent Nr. 5,272,874 offen gelegt ist, welches sich im gemeinsamen Eigentum befindet, und welches mit seinem gesamten Offenbarungsgehalt hier in Bezug genommen wird. In groben Zügen enthält das Abgasbehandlungssystem, welches in diesem Patent offengelegt ist, eine vergleichsweise große Wärmetauscheranordnung 218, die eine ausreichende Kapazität hat, um die gesamten Abgase zu kühlen, die von dem Motor 212 erzeugt werden. In ähnlicher Weise wird eine Filteranordnung 220 mit großer Kapazität an die Wärmetauscheranordnung 218 angeschlossen, und enthält ein Filterelement (nicht gezeigt in 5), das eine ausreichende Kapazität aufweist, um den gesamten Abgasstrom von dem Motor 212 aufzunehmen. Das Filterelement, welches in der Filteranordnung 220 verwendet wird, kann von derjenigen Art sein, die in dem erwähnten U.S. Patent Nr. 5,272,874 offengelegt ist. Alternativ kann die Filteranordnung von der Art sein, wie sie in meinem U.S. Patent 5,431,706 offengelegt wird, welches sich im gemeinsamen Eigentum befindet, und welches ausdrücklich mit seinem gesamten Offenbarungsgehalt hierin aufgenommen wird.
Die dritte Ausführungsform des EGR Systems 210 kann eine einzelne EGR Ventilanordnung 214 enthalten, die mit der Filteranordnung 220 verbunden ist, so daß eine bestimmte Menge von gekühlten, gefilterten Abgasen 283 über das Rohr 287 in die Einströmleitung 226 zurückgeführt wird. Alternativ können zwei EGR Ventile, die parallel geschaltet sind, auf eine Weise verwendet werden, die bereits für die zweite Ausführungsform 110 beschrieben wurde, die in 4 gezeigt wurde. Auf jeden Fall kann die EGR Ventilanordnung 214 ein beliebiges einer breiten Gruppe von EGR Ventilen verwenden, die im Handel verfügbar sind, und genügend Kapazität haben, um die Menge von Abgas rückzuführen, das für den betreffenden Motor, oder Installation erforderlich ist, und die die gewünschten Abgasspezifikationen erfüllen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die EGR Ventilanordnung 214 eine Tellerventilanordnung enthalten, die von Pierburg, GmbH, Neuss, Deutschland, hergestellt ist, und als Modell Nr. 7.21999.00.00 gekennzeichnet ist.
Das Ventilsteuersystem 222 kann im Wesentlichen identisch sein mit dem Ventilsteuersystem 22 und 122, das oben für die anderen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wird. Das bedeutet, das Ventilsteuersystem 222 sollte mit der Drosselkörperanordnung 228 verbunden, oder ihr zugeordnet sein, so daß es ein Ventilbetätigungssignal 246 erzeugen kann, das geeignet ist, um die EGR Ventilanordnung 214 zu öffnen, wenn die Drossel mit der gewünschten Menge geöffnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilsteuersystem 222 dazu programmiert, die EGR Ventilanordnung 214 ungefähr zur Hälfte (d.h. 50%) Drosselklappenstellung zu öffnen, obwohl andere Drosselklappenstellungen auch verwendet werden können, ohne über de Umfang der vorliegenden Erfindung hinauszugehen.
Die Wärmetauscheranordnung 218 ist ähnlich den Wärmetauschern 18 und 118, die oben gezeigt und beschrieben wurden, mit der Ausnahme, daß die Wärmetauscheranordnung 218 wesentlich größer ist, da sie alle Abgase aufnehmen muß, die von dem Motor 212 erzeugt werden. In der in 5 gezeigten Ausführungsform kann die Wärmetauscheranordnung 218 im Wesentlichen identisch mit der Wärmetauscheranordnung sein, die in dem U.S. Patent Nr. 5,272,874 gezeigt und beschrieben ist. Wie im Fall der anderen Ausführungsformen, wird ein intermittierendes Wassereinspritzsystem 230 als Mittel angewendet, um periodisch den angehäuften Ruß von den Seitenflächen der Kühlrohre zu entfernen (z.B. 58, 2), der in der Wärmetauscheranordnung 218 enthalten ist. Das intermittierende Wassereinspritzsystem 230 kann im Wesentlichen identisch sein mit dem intermittierenden Wassereinspritzsystem 30, das im obigen gezeigt und beschrieben wurde, und deshalb nicht im Einzelnen genauer beschrieben wird.
Das in 5 gezeigte Abgasbehandlungssystem, welches im U.S. Patent 5,272,874 offengelegt ist, enthält auch eine Mehrzahl von Katalysatoranordnungen (nicht gezeigt), die in einer Ausführungsform innerhalb von verschiedenen Kanälen, z.B. 225, der Abgasleitung 224 angeordnet sind. Alternativ kann auch die Wasser gekühlte Katalysatoranordnung nach der Art, wie sie in meinem U.S. Patent 5,488,846 gezeigt und beschrieben ist, verwendet werden, welches sich im gemeinsamen Eigentum befindet, und hier vollumfänglich in Bezug genommen wird.
Der Betrieb der dritten Ausführungsform 210 des EGR System gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen der Gleiche wie für die anderen Ausführungsformen. Das bedeutet, das Ventilsteuersystem 222 erzeugt ein Betätigungssignal 246, wenn der Motor 212 mit, oder über halber Drosselung betrieben wird. Wenn die Ventilanordnung 214 geöffnet wird, dann wird ein Teil des gekühlten, gefilterten Abgases 283 von der Filteranordnung 220 in die Einströmleitung 226 über das Rohr 287 abgesaugt. Der Rest des gekühlten und gefilterten Abgases 283 tritt aus der Filteranordnung 220 in die umgebende Atmosphäre aus.
Dies vervollständigt die genaue Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung. Obwohl eine Anzahl von spezifischen Komponenten oben für die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben wurden, erkennen Fachleute umgehend, daß andere Ersatzkomponenten oder Kombinationen von Komponenten heute oder in der Zukunft zur Verfügung stehen können, um vergleichbare Funktionen in der hier beschriebenen Vorrichtung auszuführen. Zum Beispiel, während die vorliegende Erfindung hier zur Verwendung mit Dieselmotoren beschrieben wurde, kann sie genauso zur Verwendung mit jeder anderen Art von Verbrennungsmotor angepaßt werden, wo es wünschenswert ist, NO_x Emissionen durch Rückführen eines Teils der Abgase in die Einströmleitung zu reduzieren. Weitere Modifikationen sind möglich. Zum Beispiel kann die Drosselklappenstellung, bei der das Ventilsteuersystem das EGR Ventil öffnet von den Parameter geändert werden, die hier in Abhängigkeit von dem einzelnen Motor, den Installations- und Emissionsspezifikationen dargelegt wurden. Wie oben beschrieben kann das EGR System bei Saugmotoren oder aufgeladenen Motoren (aufgeladen entweder mit einem mechanisch angetriebenen Kompressor, oder einem durch Abgas angetriebenen Turbolader), und auch bei Motoren, die in einer breiten Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden, verwendet werden.
In Summe kann das erfinderische Konzept, welches hier beschrieben wurde, auch auf verschiedene andere Arten ausgeführt werden, und die beigefügten Ansprüche sind so ausgeführt, daß sie gemäß der Definitionen der Ansprüche auch alternative Ausführungsformen der Erfindung enthalten, wobei diese nur durch den Stand der Technik begrenzt sind.

Claims

Abgasrückführungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), wobei der Verbrennungsmotor (212) eine Einströmleitung (26) und eine Abgasleitung (24) aufweist, umfassend: ein erstes Ventil (14) mit einem Einlaß (38) und einem Auslaß (40), wobei der Einlaß (38) des ersten Ventils (14) mit der Abgasleitung (24) des Verbrennungsmotors (12) verbunden ist; eine Katalysatoranordnung (16) mit einem Einlaß (44) und einem Auslaß (50), wobei der Einlaß (44) der Katalysatoranordnung (16) mit dem Auslaß (40) des ersten Ventils (14) verbunden ist; einen Wärmetauscher (18) mit einem Einlaß (52) und einem Auslaß (56), wobei der Einlaß (52) des Wärmetauschers (18) mit dem Auslaß (50) der Katalysatoranordnung (16) verbunden ist; eine Filteranordnung (20) mit einem Einlaß (84) und einem Auslaß (86), wobei der Einlaß (84) der Filteranordnung (20) mit dem Auslaß (56) des Wärmetauschers (18) verbunden ist, wobei der Auslaß (86) der Filteranordnung (20) mit der Einströmleitung (26) des Verbrennungsmotors (12) verbunden ist; und ein Ventilsteuerungssystem (22), das mit dem ersten Ventil (14) zum Öffnen und Schließen des ersten Ventils (14) verbunden ist.
Abgasrückführungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (18) einen wassergekühlten Wärmetauscher umfaßt.
Abgasrückführungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Filter (20) umfaßt: ein Filtergehäuse (82); und ein Filterelement (32), das im Filtergehäuse (82) angeordnet ist.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des weiteren ein zweites Ventil (115) umfaßt, das parallel zum ersten Ventil (14, 114) angeschlossen ist, wobei das zweite Ventil (15) auch mit dem Ventilsteuerungssystem (22, 122) verbunden ist.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Ventil (115) unabhängig vom ersten Ventil (14, 114) betätigbar ist, wobei das erste Ventil (14, 114) und das zweite Ventil (115) unabhängig voneinander durch das Ventilsteuerungssystem (22, 122) geöffnet und geschlossen werden können.
Abgasrückführungssystem (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ventilsteuerungssystem (22, 122) auf Änderungen einer Position eines Drosselventils (22, 128), das dem Motor (12, 112) zugeordnet ist, reagiert und wobei das Ventilsteuerungssystem das erste (14, 114) und zweite (115) Ventil in Reaktion auf die Position des Drosselventils (28, 118) öffnet und schließt.
Verfahren zur Rückführung von durch einen Verbrennungsmotor (12) erzeugten Abgasen, wobei der Verbrennungsmotor (12) eine Einströmleitung (26) und eine Abgasleitung (24) aufweist, welches Verfahren in einer Reihenfolge die Schritte umfaßt: Absaugen lediglich eines Teils von rückzuführenden Abgasen von der Abgasleitung (24); Oxidieren der rückzuführenden Abgase durch Leiten derselben über einen Katalysator (16); Kühlen der Abgase in einem Wärmetauscher (18); Filtern der Abgase durch Leiten derselben durch einen Filter (20); und Leiten der Abgase in die Einströmleitung (26).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kühlen ein Kühlen der Abgase auf eine Temperatur von ungefähr 422 K (300° F) vor einem Filtern der Abgase umfaßt.