EP3631187B1 - Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP3631187B1
EP3631187B1 EP18724238.3A EP18724238A EP3631187B1 EP 3631187 B1 EP3631187 B1 EP 3631187B1 EP 18724238 A EP18724238 A EP 18724238A EP 3631187 B1 EP3631187 B1 EP 3631187B1
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EP
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exhaust gas
gas recirculation
recirculation device
channel
valve
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Holger Paffrath
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, comprising an exhaust duct, via which exhaust gas can be discharged from the internal combustion engine to the environment, an inlet duct, via which combustion air can be conducted to the internal combustion engine, and a heat exchanger, which can be fluidly connected to the exhaust duct at one end , and which can be fluidly connected at an opposite end to an exhaust gas recirculation channel, which opens into the inlet channel.
  • the heat exchanger has two structurally separate strands, which open into a collector that is fluidly connected to the exhaust gas recirculation channel.
  • An exhaust gas recirculation valve is arranged in the exhaust gas recirculation channel, via which a flow cross section of the exhaust gas recirculation channel can be regulated.
  • a significant proportion of the fuel burned in an internal combustion engine is expelled in the form of heat via the exhaust system. It is therefore advantageous to recover this heat or thermal energy from the exhaust system for various purposes.
  • This thermal energy can be used, for example, to heat up the internal combustion engine more quickly, to heat the driver's cab more quickly or to reduce friction losses by heating the lubricant system.
  • the thermal energy is recovered via an exhaust gas recirculation device, which has a heat exchanger through which the recirculated exhaust gas is cooled, so that pollutant emissions are reduced after the cold start phase.
  • an exhaust gas recirculation system which has an exhaust gas cooler with two exhaust gas lines and two outlets and an upstream exhaust gas recirculation valve.
  • An additional flap valve is arranged at the outlet of the exhaust gas cooler, depending on which flow flows through the exhaust gas cooler differently depending on the arrangement of its outlets.
  • GB 2473821 A an exhaust gas recirculation system with a heat exchanger with two upstream flaps, which has an inlet and an outlet on the same side and therefore always flows through in a U-shape.
  • the valves are designed in such a way that in a first position the exhaust gas cooler is not flowed through, in a second position only one cooler line is flowed through and in a third position both coolers are flowed through in opposite directions.
  • the WO 2014/136024 A1 discloses an exhaust gas recirculation device with a U-shaped heat exchanger, which is connected to an exhaust gas duct and in an apex region of the heat exchanger via an exhaust gas recirculation valve to an inlet channel via which combustion air can be conducted to the internal combustion engine.
  • a rectangular flap valve is arranged in the exhaust duct, which is between a first position in which the exhaust duct is completely open and an outlet of the heat exchanger is completely closed and a second position in which the exhaust duct is completely closed in the area of the heat exchanger and an upstream strand in the direction of flow of the U-shaped heat exchanger is completely open, so that the exhaust gas flow is directed into this line of the heat exchanger, is adjustable.
  • the exhaust gas recirculation device according to the prior art has the disadvantage that there must be a sufficiently high flow gradient in the exhaust gas recirculation channel so that a sufficient amount of exhaust gas flows through the heat exchanger.
  • the exhaust gas recirculation device according to the prior art is not suitable for low-pressure operation, since the resistance in the exhaust gas recirculation channel is always higher than in the exhaust gas channel. Accordingly, sufficient controllability of the recirculated exhaust gas flow is not achieved, especially in phases with high exhaust gas recirculation rates.
  • the legally prescribed emission values cannot be achieved with such an exhaust gas control device, especially in the low-pressure range.
  • the object of the present invention is therefore to create an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, which is also suitable for low-pressure operation, which has a high efficiency in terms of the recovered thermal energy even with a high proportion of recirculated exhaust gas, and in which the Proportion of thermal energy recovered from the exhaust gas can be regulated.
  • the exhaust gas recirculation device has two structurally separate strands which open into a collector.
  • the two strands are therefore designed in such a way that the flows in the strands do not influence each other.
  • At one end of both strands they are connected to each other via the collector, so that depending on the flap position of the exhaust gas recirculation valve, either the exhaust gas from both lines is directed via the collector into the exhaust gas recirculation channel, or the exhaust gas is directed from the first line upstream in the exhaust gas direction via the collector into the second line.
  • the exhaust gas recirculation device has a flap valve, which is arranged in the exhaust duct, via which exhaust gas can be diverted from the internal combustion engine to the environment, in such a way that the flap valve opens the exhaust duct in a first position, and the exhaust duct in the flow direction downstream in a second position closes both strands, so that the exhaust gas flow flows through both strands in the direction of the exhaust gas recirculation channel, and in a third position the flap valve closes the exhaust gas channel in the area between the two strands, so that the exhaust gas flow can be conducted through the first strand upstream in the exhaust gas direction, and the second strand can flow through in the opposite direction depending on the position of the exhaust gas recirculation valve.
  • the flap valve In the first position, the flap valve therefore has a minimal flow resistance in the exhaust duct, so that the flow in the exhaust duct is hardly disturbed by the flap valve. In the second position, however, a complete flow through the exhaust gas duct is prevented from the flap downstream of the two strands.
  • the EGR valve When the EGR valve is open, the exhaust gas is diverted into both lines of the heat exchanger, so that the entire amount of exhaust gas is distributed over two lines, thereby utilizing the maximum heat exchanger cross section. This increases the proportion of thermal energy recovered.
  • the flap valve is continuously adjustable between the three positions. Continuous adjustability between the positions in the sense of the present invention occurs when the flap valve can assume any intermediate position between the first and second positions and between the second and third positions. In an intermediate position between the first position and the second position, the flow in the exhaust duct is throttled, so that the amount of recirculated exhaust gas can be regulated via this position and via the position of the EGR valve. Since both strands flow through between the first and second positions, the amount of thermal energy recovered increases as the amount of recirculated exhaust gas increases.
  • the flap valve is a butterfly valve.
  • the butterfly valve has the advantage that only small holding forces are necessary when the valve is in a static position due to the forces of the gas flow that are balanced on the flap. Only a small amount of torque is required to adjust the flap.
  • the axis of rotation of the flap valve is arranged in an extension of the structural separation of the strands. In the third position, the flap valve extends the structural separation up to a wall of the exhaust duct. This enables a symmetrical structure of the flap valve.
  • the axis of rotation of the flap valve is preferably arranged centrally in the exhaust duct.
  • the axis of rotation intersects an axial channel center axis of the exhaust duct in this area.
  • the flap valve is thereby arranged symmetrically in the exhaust duct, so that the exhaust duct can also be symmetrically shaped in the area of the flap valve.
  • the axis of rotation of the flap valve is arranged on a side of the exhaust duct opposite the strands.
  • the axis of rotation is arranged in such a way that it has the greatest radial distance from the strands.
  • the flap is preferably a rectangular flap and the exhaust duct is rectangular in the area of the flap valve.
  • a flap end remote from the axis of rotation is arranged in the second and third positions directly opposite an exhaust duct wall or the structural separation between the strands.
  • the flap end is arranged in such a way that a distance between the flap end and the exhaust duct wall or the structural separation is minimal, so that only a leakage flow is present between the flap end and the exhaust duct wall or the structural separation. This allows the flow to be completely stopped in one direction and redirected in another direction.
  • the exhaust gas recirculation device is a low-pressure exhaust gas recirculation device.
  • the possibility of parallel flow through both strands means that the heat exchanger can operate even at low back pressure, as is the case with a low-pressure exhaust gas recirculation device.
  • the exhaust duct is spherical in the area of the flap valve, with a diameter of the spherical formation being larger than an exhaust duct diameter.
  • a contact surface can be provided for the flap so that a flow in the exhaust gas duct can be prevented. This contact surface is provided outside the main flow due to the larger diameter, so that the main flow in the exhaust duct is not disturbed by the contact surface.
  • the diameter of the spherical formation is larger than a width of both strands of the heat exchanger.
  • the flap particularly in the second position, can close the exhaust gas duct and redirect the exhaust gas flow into the strands without a flap end protruding into the opening cross section of the downstream strand in the flow direction.
  • such a shape simplifies the production of the channel housing.
  • the structural separation between the strands of the heat exchanger is preferably a partition.
  • the partition wall forms a boundary wall for each strand of the heat exchanger. This keeps the number of components for the heat exchanger small and the heat exchanger has a very compact size.
  • An exhaust gas recirculation device is thus created for an internal combustion engine, which has a high degree of efficiency in terms of the recovered thermal energy even with a high proportion of recirculated exhaust gas.
  • the Figure 1 shows a schematic representation of an exhaust gas recirculation device 10 according to a first exemplary embodiment.
  • the exhaust gas recirculation device 10 comprises an exhaust duct 14, which diverts exhaust gas 18 from the internal combustion engine to the environment, and an inlet duct 22, which directs combustion air 26 to the internal combustion engine.
  • the exhaust gas recirculation device 10 additionally comprises a heat exchanger 30, which is fluidly connected at one end to the exhaust gas duct 14 and at an opposite end to an exhaust gas recirculation channel 34 opening into the inlet channel 22.
  • the heat exchanger 30 has two strands 42, 44 separated by a partition as a structural separation 38, which are combined in front of the exhaust gas recirculation channel 34 in a collector 46, which is connected directly to the exhaust gas recirculation channel 34.
  • An exhaust gas recirculation valve (EGR valve) 50 is arranged in the exhaust gas recirculation channel 34 and is continuously adjustable between a position in which the exhaust gas recirculation channel 34 is closed and a position in which the exhaust gas recirculation channel 34 is completely open. This in Figure 1 EGR valve 50 shown is shown in a closed position.
  • a flap valve 54 designed as a butterfly valve is arranged in the exhaust duct 14.
  • the exhaust duct 14 is spherical, with a diameter D K of the spherical shape being larger than an exhaust duct diameter D A and larger than a width B of both strands 42, 44 of the heat exchanger 30.
  • An axis of rotation 58 of the butterfly valve 54 is arranged in the middle of the exhaust duct 14 in an extension of the partition 38 of the two strands 42, 44.
  • This in Figure 1 Butterfly valve 54 shown is shown in a first position in which the exhaust duct 14 is completely open. However, the butterfly valve 54 can also have intermediate positions between the first and the second Figure 3 Take the second position shown. In the first position, the butterfly valve 54 extends essentially in a flow direction of the exhaust duct 14. In the position of the butterfly valve 54 and the EGR valve 50 shown, no flow is generated in the heat exchanger 30.
  • the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 2 differs from the exhaust gas recirculation device 10 Figure 1 in that the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 2 the EGR valve 50 is open. As a result, part of the exhaust gas 18 is returned to the internal combustion engine. This recirculated exhaust gas causes a flow in the heat exchanger 30 so that the heat can be recovered from the recirculated exhaust gas.
  • both strands 42, 44 are open to the exhaust duct 14, the heat exchanger 30 is flowed through by the recirculated exhaust gas via both strands 42, 44, so that the effective cross section of the heat exchanger 30 is enlarged and the proportion of the recovered thermal energy is thereby increased.
  • the exhaust gas recirculation device 10 is shown in a second position of the butterfly valve 54 with the EGR valve 50 open.
  • the butterfly valve 54 can also have intermediate positions between the second and the second position
  • Figure 4 Take the third position shown.
  • flap ends of the butterfly valve 54 that are remote from the axis of rotation 58 are arranged directly opposite an exhaust gas duct wall 62.
  • the butterfly valve 54 closes the exhaust gas channel 14 in the flow direction downstream of the two strands 42, 44.
  • the entire exhaust gas flow of the exhaust gas channel 14 is thereby recirculated and flows through both strands 42, 44 of the heat exchanger 30 in the direction of the exhaust gas recirculation channel 34. This means that even with maximum exhaust gas recirculation flow through the full heat exchanger cross section.
  • the exhaust gas recirculation device 10 is shown in a third position of the butterfly valve 54 with the EGR valve 50 closed.
  • the butterfly valve 54 closes the exhaust duct 14 in the area between the two strands 42, 44, so that the exhaust gas flow is directed through the first strand 44 upstream in the exhaust gas direction.
  • the collector 46 which connects both strands 42, 44 to one another, the exhaust gas 18 is directed back into the exhaust gas duct 14 in the opposite direction to the first strand 44 via the second strand 42. This means that the entire length of the heat exchanger 30 can be flowed through if necessary.
  • the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 5 differs from the exhaust gas recirculation device 10 Figure 4 in that the exhaust gas recirculation device 10 in Figure 5 the EGR valve 50 is open.
  • part of the exhaust gas 18 is returned to the internal combustion engine.
  • the exhaust gas portion that is returned to the internal combustion engine is only cooled via the first strand 44 located upstream in the exhaust gas direction of the exhaust gas duct 14, while the exhaust gas portion that is not recirculated is cooled and returned to the exhaust gas duct 14 via the second strand 42.
  • hotter exhaust gas 18 is directed into the inlet channel, which reduces the risk of condensation formation in cold operating conditions.
  • FIG 6 a second exemplary embodiment of the exhaust gas recirculation device 10 is shown, which is shown by way of example in a second position with the EGR valve 50 open.
  • the axis of rotation 58 of the flap valve 54 is arranged on a side of the exhaust duct 14 opposite the strands 42, 44.
  • the ones to the Figures 1 to 5 The described positions of the butterfly valve 54 and the EGR valve 50 are also possible for the second exemplary embodiment. This results in the second Embodiment has the same functions previously described for the first embodiment.
  • the exhaust gas recirculation device according to the invention described is therefore suitable for the low-pressure range and therefore has a high level of efficiency in relation to the thermal energy recovered.
  • the recovered thermal energy can be controlled.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend einen Abgaskanal, über welchen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitbar ist, einen Einlasskanal, über welchen Verbrennungsluft zur Verbrennungskraftmaschine leitbar ist, und einen Wärmetauscher, welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal fluidisch verbindbar ist, und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem Abgasrückführkanal fluidisch verbindbar ist, welcher in den Einlasskanal mündet. Der Wärmetauscher weist zwei baulich voneinander getrennte Stränge auf, welche in einen Sammler münden, der mit dem Abgasrückführkanal fluidisch verbunden ist. In dem Abgasrückführkanal ist ein Abgasrückführventil angeordnet, über welches ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführkanals regelbar ist.
  • Ein wesentlicher Anteil des in einer Verbrennungskraftmaschine verbrannten Kraftstoffes wird in Form von Wärme über das Abgassystem ausgestoßen. Es ist daher vorteilhaft, diese Wärme oder thermische Energie von dem Abgassystem für verschiedene Zwecke zurückzugewinnen. Diese thermische Energie kann beispielsweise verwendet werden, um die Verbrennungskraftmaschine schneller aufzuheizen, um die Fahrerkabine schneller zu erwärmen oder um Reibungsverluste durch Erhitzen des Schmiermittelsystems zu reduzieren. Die thermische Energie wird dabei über eine Abgasrückführvorrichtung, welche einen Wärmetauscher aufweist, über den eine Kühlung des zurückgeführten Abgases erfolgt, so dass nach der Kaltstartphase die Schadstoffemissionen reduziert werden, zurückgewonnen.
  • Aus der EP 2 302 190 A1 ist ein Abgasrückführsystem bekannt, welches einen Abgaskühler mit zwei Abgassträngen und zwei Auslässen und ein vorgeschaltetes Abgasrückführventil aufweist. Am Auslass des Abgaskühlers ist ein zusätzliches Klappenventil angeordnet, in Abhängigkeit dessen der Abgaskühler je nach Anordnung seiner Auslässe unterschiedlich durchströmt wird.
  • Des Weiteren offenbart die GB 2473821 A ein Abgasrückführsystem mit einem Wärmetauscher mit zwei vorgeschalteten Klappen, der einen Einlass und einen Auslass an der gleichen Seite aufweist und somit immer U-förmig durchströmt wird. Die Ventile sind so gestaltet, dass in einer ersten Position der Abgaskühler nicht durchströmt wird, in einer zweiten Position nur ein Kühlerstrang durchströmt wird und in einer dritten Position beide Kühler entgegengesetzt durchströmt werden.
  • Die WO 2014/136024 A1 offenbart eine Abgasrückführvorrichtung mit einem U-förmigen Wärmetauscher, welcher mit einem Abgaskanal und in einem Scheitelbereich des Wärmetauschers über ein Abgasrückführventil mit einem Einlasskanal, über den Verbrennungsluft zu der Verbrennungskraftmaschine leitbar ist, verbunden ist. In dem Abgaskanal ist ein rechteckiges Klappenventil angeordnet, welches zwischen einer ersten Stellung, bei welcher der Abgaskanal vollständig geöffnet und eine Mündung des Wärmetauscher vollständig verschlossen ist und einer zweiten Stellung, bei welcher der Abgaskanal im Bereich des Wärmetauschers vollständig verschlossen und ein in Strömungsrichtung vorgelagerter Strang des U-förmigen Wärmetauschers vollständig geöffnet ist, so dass der Abgasstrom in diesen Strang des Wärmetauscher geleitet wird, verstellbar ist.
  • Des Weiteren ist aus der US 7,581,533 B1 ein Abgasrückführsystem mit einem zweisträngiger Abgaskühler bekannt, bei dem über eine vorgelagerte Klappe entweder eine Durchströmung des Kühlers umgangen wird, die beiden Stränge des Kühlers parallel durchströmt werden oder die Stränge in Reihe durchströmt werden.
  • Die Abgasrückführvorrichtung nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass ein ausreichend hohes Strömungsgefälle im Abgasrückführkanal anliegen muss, damit der Wärmetauscher mit einer ausreichenden Abgasmenge durchströmt wird. Dadurch ist die Abgasrückführvorrichtung nach dem Stand der Technik nicht für den Niederdruckbetrieb geeignet, da der Widerstand im Abgasrückführkanal immer höher ist als im Abgaskanal. Entsprechend wird keine ausreichende Regelbarkeit des zurückgeführten Abgasstromes erreicht, insbesondere in Phasen mit hohen Abgasrückführraten. Die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionswerte sind entsprechend mit einer derartigen Abgasregelvorrichtung insbesondere im Niederdruckbereich nicht erreichbar.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welche auch für den Niederdruckbetrieb geeignet ist, die auch bei einem hohen Anteil an rückgeführtem Abgas einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die rückgewonnene thermische Energie hat, und bei welcher der Anteil der aus dem Abgas rückgewonnenen thermischen Energie regelbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung weist zwei baulich voneinander getrennte Stränge auf, welche in einen Sammler münden. Die beiden Stränge sind somit derart konstruktiv ausgestaltet, dass eine gegenseitige Beeinflussung der Strömungen in den Strängen vermieden ist. An einem Ende beider Stränge sind diese über den Sammler miteinander verbunden, so dass in Abhängigkeit von der Klappenstellung des Abgasrückführventils entweder das Abgas aus beiden Strängen über den Sammler in den Abgasrückführkanal geleitet wird, oder das Abgas von dem in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang über den Sammler in den zweiten Strang geleitet wird.
  • Erfindungsgemäß weist die Abgasrückführvorrichtung ein Klappenventil auf, welches derart in dem Abgaskanal, über welchen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitbar ist, angeordnet ist, dass das Klappenventil in einer ersten Stellung den Abgaskanal freigibt, in einer zweiten Stellung den Abgaskanal in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge verschließt, so dass der Abgasstrom beide Stränge in Richtung des Abgasrückführkanals durchströmt, und in einer dritten Stellung das Klappenventil den Abgaskanal im Bereich zwischen beiden Strängen verschließt, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang leitbar ist, und der zweite Strang in Abhängigkeit der Stellung des Abgasrückführventils in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.
  • In der ersten Stellung hat das Klappenventil somit einen minimalen Strömungswiderstand im Abgaskanal, so dass die Strömung im Abgaskanal durch das Klappenventil kaum gestört wird. In der zweiten Stellung dahingegen wird eine vollständige Durchströmung des Abgaskanals von der Klappe an stromabwärts der beiden Stränge unterbunden. Das Abgas wird bei geöffnetem AGR-Ventil dadurch in beide Stränge des Wärmetauschers umgeleitet, so dass die gesamte Abgasmenge auf zwei Stränge verteilt wird und dadurch der maximale Wärmetauscherquerschnitt ausgenutzt wird. Dadurch wird der Anteil der zurückgewonnenen thermischen Energie erhöht.
  • In der dritten Stellung wird eine Durchströmung des Abgaskanals ab der baulichen Trennung zwischen den Strängen unterbunden. Das Abgas wird dadurch durch den in Strömungsrichtung vorgelagerten Strang geleitet. In Abhängigkeit der Klappenstellung des AGR-Ventils wird dadurch ein Teil des Abgases zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt, wobei das rückgeführte Abgas lediglich durch einen Strang gekühlt wird, so dass die Kühlung des rückgeführten Abgases reduziert ist. Dadurch kann bei kalten Betriebsbedingungen, bei welchen die Gefahr einer Kondensatbildung der Verbrennungsluft vorliegt, heißeres Abgas rückgeführt werden, um die Kondesatbildung zu vermeiden. Das in der dritten Stellung nicht rückgeführte Abgas wird in dem in Strömungsrichtung nachgelagerten Strang in den Abgaskanal zurückgeleitet. Dabei wird in diesem Strang die thermische Energie aus dem Abgas zurückgewonnen. Dadurch ist der Anteil der aus dem Abgas zurückgewonnenen thermischen Energie regelbar, um die Abgasrückführvorrichtung besser an bestimmte Betriebsbedingungen anzupassen.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Klappenventil stufenlos zwischen den drei Stellungen verstellbar. Eine stufenlose Verstellbarkeit zwischen den Stellungen im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn das Klappenventil zwischen der ersten und der zweiten Stellungen, sowie zwischen der zweiten und der dritten Stellung, jede Zwischenstellung einnehmen kann. In einer Zwischenstellung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung wird die Strömung im Abgaskanal gedrosselt, so dass über diese Stellung und über die Stellung des AGR-Ventils die rückgeführte Abgasmenge regelbar ist. Da zwischen der ersten und zweiten Stellung jeweils beide Stränge durchströmt werden, steigt die rückgewonnene thermische Energiemenge mit steigender rückgeführten Abgasmenge.
  • Vorzugsweise ist das Klappenventil ein Schmetterlingsventil. Das Schmetterlingsventil hat den Vorteil, dass aufgrund der sich an der Klappe ausgleichenden Kräfte des Gasstromes, in einer statischen Position des Ventils, nur geringe Haltekräfte notwendig sind. Auch für die Verstellung der Klappe ist lediglich ein geringes Drehmoment notwendig.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Drehachse des Klappenventils in einer Verlängerung der baulichen Trennung der Stränge angeordnet. In der dritten Stellung verlängert das Klappenventil somit die bauliche Trennung bis zu einer Wandung des Abgaskanals. Dadurch ist ein symmetrischer Aufbau des Klappenventils möglich.
  • Vorzugsweise ist die Drehachse des Klappenventils mittig im Abgaskanal angeordnet. Die Drehachse schneidet dabei eine axiale Kanalmittelachse des Abgaskanals in diesem Bereich. Das Klappenventil wird dadurch symmetrisch im Abgaskanal angeordnet, so dass auch der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils symmetrisch ausgeformt sein kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Drehachse des Klappenventils an einer den Strängen gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals angeordnet. Die Drehachse ist dabei derart angeordnet, dass sie den größten radialen Abstand zu den Strängen aufweist, In der ersten Stellung wird dadurch der Strömungswiderstand des Klappenventils durch die im Wesentlichen außerhalb der Hauptströmung liegende Klappe und Drehachse, reduziert. Bei dieser Ausgestaltung ist die Klappe vorzugsweise eine Rechteckklappe und der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils rechteckig ausgeformt.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein von der Drehachse entferntes Klappenende in der zweiten und dritten Stellung unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung zwischen den Strängen angeordnet. Das Klappenende ist dabei derart angeordnet, dass ein Abstand zwischen Klappenende und Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung minimal ist, so dass lediglich eine Leckageströmung zwischen Klappenende und Abgaskanalwandung bzw. der baulichen Trennung vorhanden ist. Dadurch kann die Strömung in einer Richtung vollständig gestoppt und in eine andere Richtung umgelenkt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Abgasrückführvorrichtung eine Niederdruckabgasrückführvorrichtung. Durch die Möglichkeit der parallelen Durchströmung beider Stränge ist der Betrieb des Wärmetauschers auch bei geringem Gegendruck wie er bei einer Niederdruckabgasrückführvorrichtung vorliegt, gegeben.
  • Vorzugsweise ist der Abgaskanal im Bereich des Klappenventils kugelförmig ausgebildet, wobei ein Durchmesser der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser. Dadurch kann für die Klappe eine Anlagefläche bereitgestellt werden, so dass eine Strömung im Abgaskanal unterbunden werden kann. Diese Anlagefläche ist durch den größeren Durchmesser außerhalb der Hauptströmung vorgesehen, so dass die Hauptströmung im Abgaskanal nicht durch die Anlagefläche gestört wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser der kugelförmigen Ausformung größer als eine Breite beider Stränge des Wärmetauschers ist. Dadurch kann die Klappe, insbesondere in der zweiten Stellung, den Abgaskanal verschließen und den Abgasstrom in die Stränge umleiten, ohne dass ein Klappenende in den Öffnungsquerschnitt des in Strömungsrichtung nachgelagerten Stranges ragt. Zusätzlich wird durch eine solche Ausformung die Herstellung des Kanalgehäuses vereinfacht.
  • Die bauliche Trennung zwischen den Strängen des Wärmetauschers ist vorzugsweise eine Trennwand. Die Trennwand bildet dabei eine Begrenzungswand jeden Stranges des Wärmetauschers. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile für den Wärmetauscher klein gehalten und der Wärmetauscher weist eine sehr kompakte Größe auf.
  • Es wird somit eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche auch bei einem hohen Anteil an rückgeführtem Abgas einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die rückgewonnene thermische Energie hat.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. In diesen zeigen:
    • Figur 1:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Stellung bei geschlossenem AGR-Ventil,
    Figur 2:
    Abgasrückführvorrichtung nach Figur 1 bei geöffnetem AGR-Ventil,
    Figur 3:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AGR-Ventil,
    Figur 4:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer dritten Stellung bei geschlossenem AGR-Ventil,
    Figur 5:
    Abgasrückführvorrichtung nach Figur 4 bei geöffnetem AGR-Ventil, und
    Figur 6:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AGR-Ventil.
  • Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abgasrückführvorrichtung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Abgasrückführvorrichtung 10 umfasst einen Abgaskanal 14, welcher Abgas 18 von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitet, und einen Einlasskanal 22, welche Verbrennungsluft 26 zur Verbrennungskraftmaschine leitet. Die Abgasrückführvorrichtung 10 umfasst zusätzlich einen Wärmetauscher 30, welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal 14 und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem in den Einlasskanal 22 mündenden Abgasrückführkanal 34 fluidisch verbunden ist. Der Wärmetauscher 30 weist zwei über eine Trennwand als bauliche Trennung 38 getrennte Stränge 42, 44 auf, welche vor dem Abgasrückführkanal 34 in einem Sammler 46, der direkt mit dem Abgasrückführkanal 34 verbunden ist, vereint werden. In dem Abgasrückführkanal 34 ist ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 50 angeordnet, welches zwischen einer Stellung, bei welcher der Abgasrückführkanal 34 geschlossen ist und einer Stellung, bei welcher der Abgasrückführkanal 34 vollständig geöffnet ist, stufenlos verstellbar ist. Das in Figur 1 gezeigte AGR-Ventil 50 ist in einer geschlossenen Stellung dargestellt.
  • In dem Abgaskanal 14 ist ein als ein Schmetterlingsventil ausgebildetes Klappenventil 54 angeordnet. Im Bereich des Schmetterlingsventils 54 ist der Abgaskanal 14 kugelförmig ausgebildet, wobei ein Durchmesser DK der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser DA und größer ist als eine Breite B beider Stränge 42, 44 des Wärmetauschers 30. Eine Drehachse 58 des Schmetterlingsventils 54 ist dabei mittig im Abgaskanal 14 in einer Verlängerung der Trennwand 38 der beiden Stränge 42, 44 angeordnet. Das in Figur 1 gezeigte Schmetterlingsventil 54 ist in einer ersten Stellung dargestellt, bei welcher der Abgaskanal 14 vollständig geöffnet ist. Das Schmetterlingsventil 54 kann jedoch auch Zwischenstellungen zwischen der ersten und der in Figur 3 gezeigten zweiten Stellung einnehmen. In der ersten Stellung erstreckt sich das Schmetterlingsventil 54 im Wesentlichen in einer Strömungsrichtung des Abgaskanals 14. In der gezeigten Stellung des Schmetterlingsventils 54 und des AGR-Ventils 50 wird keine Strömung im Wärmetauscher 30 erzeugt.
  • Die Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 2 unterscheidet sich von der Abgasrückführvorrichtung 10 nach Figur 1 dadurch, dass bei der Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 2 das AGR-Ventil 50 geöffnet ist. Dadurch wird ein Teil des Abgases 18 zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt. Dieses rückgeführte Abgas verursacht eine Strömung im Wärmetauscher 30, so dass die Wärme aus dem rückgeführten Abgas zurückgewonnen werden kann. Da in der in Figur 2 gezeigten Stellung beide Stränge 42, 44 zum Abgaskanal 14 offen sind, wird der Wärmetauscher 30 über beide Stränge 42, 44 von dem rückgeführten Abgas durchströmt, so dass der effektive Querschnitt des Wärmetauscher 30 vergrößert wird und dadurch der Anteil der zurückgewonnenen thermischen Energie erhöht wird.
  • In Figur 3 ist die Abgasrückführvorrichtung 10 in einer zweiten Stellung des Schmetterlingsventils 54 bei geöffnetem AGR-Ventil 50 gezeigt. Das Schmetterlingsventil 54 kann jedoch auch Zwischenstellungen zwischen der zweiten und der in Figur 4 gezeigten dritten Stellung einnehmen. In der zweiten Stellung sind zu der Drehachse 58 entfernte Klappenenden des Schmetterlingsventils 54 unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung 62 angeordnet. Dabei verschließt das Schmetterlingsventil 54 den Abgaskanal 14 in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge 42, 44. Der gesamte Abgasstrom des Abgaskanals 14 wird dadurch zurückgeführt und durchströmt beide Stränge 42, 44 des Wärmetauschers 30 in Richtung des Abgasrückführkanals 34. Dadurch kann auch bei maximaler Abgasrückführung der volle Wärmetauscherquerschnitt durchströmt werden.
  • In Figur 4 ist die Abgasrückführvorrichtung 10 in einer dritten Stellung des Schmetterlingsventils 54 bei geschlossenem AGR-Ventil 50 gezeigt. In der dritten Stellung sind zu der Drehachse 58 entfernte Klappenenden des Schmetterlingsventils 54 unmittelbar gegenüberliegend zu der Trennwand 38 bzw. zu der Abgaskanalwandung 62 angeordnet, dabei verschließt das Schmetterlingsventil 54 den Abgaskanal 14 im Bereich zwischen beiden Strängen 42, 44, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang 44 geleitet wird. Über den Sammler 46, welcher beide Stränge 42, 44 miteinander verbindet wird das Abgas 18 in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Strang 44 über den zweiten Strang 42 zurück in den Abgaskanal 14 geleitet. Dadurch kann im Bedarfsfall die gesamte Länge des Wärmetauschers 30 durchströmt werden.
  • Die Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 5 unterscheidet sich von der Abgasrückführvorrichtung 10 nach Figur 4 dadurch, dass bei der Abgasrückführvorrichtung 10 in Figur 5 das AGR-Ventil 50 geöffnet ist. Dadurch wird in Abhängigkeit der Stellung des AGR-Ventils 50 ein Teil des Abgases 18 zur Verbrennungskraftmaschine rückgeführt. Der zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeführte Abgasanteil wird dabei lediglich über den in Abgasrichtung des Abgaskanals 14 vorgelagerten ersten Strang 44 gekühlt, während der nicht zurückgeführte Abgasanteil über den zweiten Strang 42 zum Abgaskanal 14 gekühlt zurückgeleitet wird. Dadurch wird heißeres Abgas 18 in den Einlasskanal geleitet, welches bei kalten Betriebsbedingungen die Gefahr von Kondensatbildung vermindert.
  • In Figur 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Abgasrückführvorrichtung 10 gezeigt, welches beispielhaft in einer zweiten Stellung bei geöffnetem AGR-Ventil 50 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 58 des Klappenventils 54 an einer den Strängen 42, 44 gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals 14 angeordnet. Die zu den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Stellungen des Schmetterlingsventils 54 und des AGR-Ventils 50 sind auch für das zweite Ausführungsbeispiel möglich. Es ergeben sich somit für das zweite Ausführungsbeispiel die gleichen bereits zuvor für das erste Ausführungsbeispiel beschriebenen Funktionen.
  • Die beschriebene erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung Ist somit für den Niederdruckbereich geeignet und weist somit einen hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die zurückgewonnene thermische Energie auf. Darüber hinaus ist eine Regelbarkeit der zurückgewonnenen thermischen Energie gegebenen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Abgasrückführvorrichtung
    14
    Abgaskanal
    18
    Abgas
    22
    Einlasskanal
    26
    Verbrennungsluft
    30
    Wärmetauscher
    34
    Abgasrückführkanal
    38
    bauliche Trennung
    42
    Strang
    44
    Strang
    46
    Sammler
    50
    Abgasrückführventil
    54
    Klappenventil
    58
    Drehachse
    62
    Abgaskanalwandung
    DK
    Durchmesser kugelförmigen Ausformung
    DA
    Abgaskanaldurchmesser
    B
    Breite

Claims (11)

  1. Abgasrückführvorrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend:
    - einen Abgaskanal (14), über welchen Abgas (18) von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitbar ist,
    - einen Einlasskanal (22), über welchen Verbrennungsluft (26) zur Verbrennungskraftmaschine leitbar ist,
    - einen Wärmetauscher (30), welcher an einem Ende mit dem Abgaskanal (14) fluidisch verbindbar ist, und der an einem dazu entgegengesetzten Ende mit einem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbindbar ist, welcher in den Einlasskanal (22) mündet, wobei der Wärmetauscher (30) zwei baulich voneinander getrennte Stränge (42, 44) aufweist, welche in einen Sammler (46) münden, der mit dem Abgasrückführkanal (34) fluidisch verbunden ist,
    - ein Abgasrückführventil (50), welches in dem Abgasrückführkanal (34) angeordnet ist, über welches ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführkanals (34) regelbar ist,
    - ein Klappenventil (54), welches derart in dem Abgaskanal (14), über welchen Abgas (18) von der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung ableitbar ist, angeordnet ist, dass das Klappenventil (54) in einer ersten Stellung den Abgaskanal (14) freigibt, in einer zweiten Stellung den Abgaskanal (14) in Strömungsrichtung stromabwärts der beiden Stränge (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom beide Stränge (42, 44) in Richtung des Abgasrückführkanals (34) durchströmt, und in einer dritten Stellung das Klappenventil (54) den Abgaskanal (14) im Bereich zwischen beiden Strängen (42, 44) verschließt, so dass der Abgasstrom durch den in Abgasrichtung vorgelagerten ersten Strang (44) leitbar ist, und der zweite Strang (42) in Abhängigkeit der Stellung des Abgasrückführventils (50) in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.
  2. Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappenventil (54) stufenlos zwischen den drei Stellungen verstellbar ist.
  3. Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappenventil (54) ein Schmetterlingsventil ist.
  4. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) in einer Verlängerung der baulichen Trennung (38) der Stränge (42, 44) angeordnet ist.
  5. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) mittig im Abgaskanal (14) angeordnet ist.
  6. Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58) des Klappenventils (54) an einer den Strängen (42, 44) gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals (14) angeordnet ist.
  7. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Drehachse (58) entferntes Klappenende in der zweiten und dritten Stellung unmittelbar gegenüberliegend zu einer Abgaskanalwandung (62) bzw. der baulichen Trennung (38) zwischen den Strängen (42, 44) angeordnet ist.
  8. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführvorrichtung (10) eine Niederdruckabgasrückführvorrichtung ist.
  9. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal (14) im Bereich des Klappenventils (54) kugelförmig ausgebildet ist, wobei ein Durchmesser (DK) der kugelförmigen Ausformung größer ist als ein Abgaskanaldurchmesser (DA).
  10. Abgasrückführvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (DK) der kugelförmigen Ausformung größer als eine Breite (B) beider Stränge (42, 44) des Wärmetauschers (30) ist.
  11. Abgasrückführvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Trennung (38) zwischen den Strängen (42, 44) des Wärmetauschers (30) eine Trennwand ist.
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