DE102011117360A1

DE102011117360A1 - Gaszuführungssystem, Verfahren zur Zuführung von Gas, Verbrennungsaggregat und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011117360A1
Application number: DE102011117360A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grote; Thomas Rudolph; Kerstin Brandes; Martin Kiel; Frank Beger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-10-29
Filing date: 2011-10-29
Publication date: 2013-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gaszuführungssystem zur Führung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases, welches eine Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes sowie eine Leitung zur Zuführung des ersten Gases umfasst, welche an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, so dass das erste Gas und das zweite Gas in einem gemeinsamen Massenstrom weiterleitbar sind, wobei die Leitung zur Zuführung des ersten Gases derart an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, dass die Leitung zur Zuführung des ersten Gases und die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes zusammen eine Strahlpumpe (1) ausbilden, wobei die Leitung zur Zuführung des ersten Gases mittels einer Einmündung (30) an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist und die Einmündung (30) durch einen Ringspalt (41) in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisiert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases, bei dem der Strom des ersten Gases und der Strom des zweiten Gases mittels einer Strahlpumpe (1) vereinigt werden und in einem gemeinsamen Massenstrom (50) weitergeleitet werden, wobei der Strom des ersten Gases über eine durch einen Ringspalt (41) in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisierte Einmündung (30) in eine gemeinsame Leitung geführt wird; sowie ein Verbrennungsaggregat (100) und ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gaszuführungssystem, insbesondere ein Abgasrückführungssystem, sowie ein Verfahren zur Zuführung von Gas, insbesondere ein Verfahren zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsaggregates zu einem dem Verbrennungsaggregat zuzuführenden Luftstrom. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbrennungsaggregat und ein dieses Verbrennungsaggregat aufweisendes Kraftfahrzeug.
Abgasrückführungssysteme sind insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren hinlänglich bekannt. Sie dienen einerseits zur Entdrosselung des Motors in bestimmten Betriebspunkten sowie andererseits zur Herbeiführung einer auf den jeweiligen Betriebspunkt optimal abgestimmten Zusammensetzung der Zylinderladung. Als Folge resultieren eine Verringerung von Schadstoffemissionen sowie gegebenenfalls eine Senkung des Kraftstoffbedarfes und der Klopfneigung des Motors.
Bei der Abgasrückführung wird üblicherweise ein Teil des Abgasstromes der dem Verbrennungsaggregat zuzuführenden Frischluft zugeführt. Problematisch bei dieser Zuführung und der herzustellenden Mischung des Abgases und der Frischluft ist, dass sich aufgrund von Turbulenzen üblicherweise Druckverluste im Bereich der Einleitstelle ergeben, sowie dass Abgas und Frischluft extrem inhomogen verteilt sind. Des Weiteren besteht bei entstehenden Turbulenzen und Totwassergebieten die Gefahr, dass sich Ablagerungen in den Leitungen bilden, die eine optimale Durchströmung verhindern können. Diese Problematik verschärft sich im Besonderen, wenn sehr hohe Anteile an Abgas (sehr hohe Abgasrückführraten) beigemischt werden sollen.
Ansätze zur Lösung der genannten Probleme bestehen insbesondere darin, die Zusammenführung der beiden Massenströme über relativ lange Mischwege zu erzeugen. Derartige Ausführungsformen weisen jedoch den Nachteil eines relativ großen Bauraumbedarfs, sowie eines negativen Einflusses auf die dynamische Regelbarkeit des Verbrennungsaggregates auf. Aufgrund der gegebenenfalls auftretenden Druckverluste in den Zuführungsleitungen sind unter Umständen weitere Maßnahmen zur Förderung des Abgases zur Frischluft sowie der Zuführung zu einem gegebenenfalls vorhandenen Verdichter zu treffen, wie zum Beispiel Druckerhöhung in der Abgaszuleitung und/oder Druckminderung in der Frischluftleitung.
Aus der DE 39 31 811 C2 ist ein zylindrischer Rohrleitungsabschnitt in einer Luftansaugleitung einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher einen Mischraum aufweist, in den die Abgasrückführungsleitung mit einer tangential gerichteten Öffnung einmündet. Dabei kann jedoch die Ausbildung von Turbulenzen nicht ausgeschlossen werden.
Die DE 31 06 588 A1 offenbart einen Anschluss einer Abgasrückführungsleitung, bei der der Abgas-Massenstrom durch eine Vielzahl von Überstromöffnungen in die Frischluftleitung gelangen kann. Dabei sind die Überstromöffnungen derart angeordnet, dass eine dadurch erzeugte Rotationsbewegung der einzelnen Teil-Abgasmassenströme der Drehbewegung der anströmenden Frischluft entspricht, um Turbulenzen zu vermeiden. Dabei kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass sich Toträume bilden, welche Versottungspotenzial haben, so dass insbesondere aufgrund einer dadurch bewirkten Querschnittsveränderung technische Maßnahmen zu Realisierung der optimalen Mischung des Abgasstroms mit dem Frischluftstrom zu treffen sind, wie zum Beispiel Einrichtungen zur Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks mit den daraus resultierenden Druckverlusten. Überdies ist der Effektivquerschnitt durch Kantenströmungseffekte auch dann verringert, wenn gar keine Abgas-Einleitung erfolgt.
Aus der DE 100 07 243 C1 ist eine Abgasrückführungsvorrichtung bekannt, bei der eine Abgasrückführleitung in die Frischluftleitung mündet, wobei im Bereich der Zumischöffnung ein Drallerzeugungselement und/oder ein Turbulenzerzeugungselement vorgesehen ist. Das heißt, dass hier Turbulenzen mit den daraus resultierenden Druckverlusten erzeugt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gaszuführungssystem sowie ein Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases zur Verfügung zu stellen, mit welchen in einfacher, kostengünstiger, bauraumsparender und wartungsfreier Weise effizient zwei Gasströme zusammengeführt werden können.
Insbesondere betrifft die Aufgabe die Zuführung von Abgas zu einem Luftstrom, der einem Verbrennungsaggregat zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Gaszuführungssystem gemäß Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gaszuführungssystems sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases sind in den Unteransprüchen 12 und 13 angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verbrennungsaggregat zur Verfügung gestellt, sowie ein Kraftfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Verbrennungsaggregat aufweist.
Es wird erfindungsgemäß ein Gaszuführungssystem zur Führung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases zur Verfügung gestellt, welches eine Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes sowie eine Leitung zur Zuführung des ersten Gases umfasst, welche an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, so dass das erste Gas und das zweite Gas in einem gemeinsamen Massenstrom weiterleitbar sind, wobei die Leitung zur Zuführung des ersten Gases derart an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, dass die Leitung zur Zuführung des ersten Gases und die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes zusammen eine Strahlpumpe ausbilden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leitung zur Zuführung des ersten Gases mittels einer Einmündung an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist und die Einmündung durch einen Ringspalt in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisiert ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Gaszuführungssystem als ein Abgasrückführungssystem ausgeführt, das zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsaggregates zu einem dem Verbrennungsaggregat zuzuführenden Luftstrom eingerichtet ist, wobei das erste Gas das Abgas eines Verbrennungsaggregates ist und der Strom des zweiten Gases der dem Verbrennungsaggregat zuzuführende Luftstrom ist; die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes eine Luftleitung zur Zuführung des Luftstromes ist und die Leitung zur Zuführung des ersten Gases eine Abgasrückführungsleitung ist.
Das heißt, dass ein Abgasrückführungssystem zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsaggregates zu einem dem Verbrennungsaggregat zuzuführenden Luftstrom zur Verfügung gestellt wird, wobei das Abgasrückführungssystem eine Luftleitung zur Zuführung des Luftstromes sowie eine Abgasrückführungsleitung umfasst, welche an die Luftleitung angeschlossen ist, so dass Abgas und Luft in einem gemeinsamen Massenstrom zum Verbrennungsaggregat weiterleitbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abgasrückführungsleitung derart an die Luftleitung angeschlossen ist, dass die Abgasrückführungsleitung und die Luftleitung zusammen eine Strahlpumpe ausbilden; und dass die Abgasrückführungsleitung mittels einer Einmündung an die Luftleitung angeschlossen ist, wobei die Einmündung durch einen Ringspalt in der Luftleitung realisiert ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass einerseits ein hoher Abgas-Durchsatz bei außerordentlich geringen Druckverlusten im Bereich und nach der Einleitung des Abgases aufgrund von Vermeidung von Turbulenzen in den Massenströmen realisierbar ist und dies auch andererseits sogar dann der Fall ist, wenn kein Abgas in die Abgasrückführungsleitung zugesteuert wird.
Durch die Kombination von Ringspalt und düsenförmiger Einleitung wird gewährleistet, dass über den gesamten Umfang der Luftleitung das Abgas gleichmäßig dem Luftstrom zugeführt und von diesem mitgezogen wird, so dass ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil in dem aus den beiden einzelnen Massenströmen erzeugten gemeinsamen Massenstrom nahezu unabhängig von der Beimischrate ermöglicht wird und keine Über- und/oder Unterdruckerzeugung notwendig ist. Dadurch wiederum lässt sich sehr effizient ein hoher Abgasmassenstrom dem Luftstrom zuführen.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Abgasrückführungssystem als Bestandteil der Abgasrückführungsleitung eine Zuführungseinrichtung, die an den Ringspalt angeschlossen ist und bewirkt, dass der Abgasstrom über den Ringspalt dem Luftstrom im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Luft zuführbar ist oder zugeführt wird.
Dabei ist die Zuführungseinrichtung in ihrer äußeren Kontur im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet und realisiert somit einen Strömungsverlauf, der zunächst normal an die Luftleitung heran- und im Folgenden tangential an der Außenwandung der Luftleitung entlang führt und schließlich im Ringspalt mündet. Die Luftleitung ist somit zentral in der Zuführungseinrichtung angeordnet. Die innere Seite der Zuführungseinrichtung wird bevorzugt durch die Luftleitung ausgebildet.
Vorzugsweise nimmt der Querschnitt der an der Außenseite der Luftleitung angebrachten spiralförmigen Zuführungseinrichtung im Wesentlichen kontinuierlich in Richtung des inneren Endes der Spirale ab.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Abgasrückführungssystem derart ausgestaltet ist, dass die Zuführungseinrichtung zusammen mit der Außenwandung der Luftleitung eine Umlenkung des Abgasstromes derart realisiert, dass dieser zum Ringspalt strömt, wobei an diesem eine Abgasdüse angeordnet ist, mit der der Massenstrom des zuzuführenden Abgases im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Luftstroms in eine gemeinsame Abgas-Luftleitung einleitbar ist.
Der Ringspalt weist in dieser Ausführungsform somit eine radiale Erstreckung auf. Durch diese quasi gleichgerichtete und im Wesentlichen parallele Zuführung wird erreicht, dass im Bereich des Austritts des Abgases aus dem Ringspalt Turbulenzen vermieden werden, und die zuzuführende Luft mit außerordentlich geringem Druckverlust an der Stelle des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung vorbeiströmen kann. Dies betrifft insbesondere auch den Fall, wenn dem Luftstrom kein Abgas zugeführt wird, wobei sich am Ringspalt eine Strömungsform derart ausbildet, dass eine weiterhin im Wesentlichen gleichförmige Strömung der Luft begünstigt wird.
Zur Komprimierung des Luft-Abgasgemisches ist an der Luftleitung stromabwärts des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung ein Verdichter angeordnet. Das erfindungsgemäße Abgasrückführungssystem hat dabei den Vorteil, dass aufgrund des bereits bei der Zuführung von Abgas erreichten rotationssymmetrischen Strömungsprofils des Luft-Abgasgemisches im gemeinsamen Massenstrom auch eine Vergleichmäßigung der Temperatur derart erzielt wird, dass eine identische radiale Verteilung der Temperatur über den Schaufeln des Verdichterrades vorliegt und demzufolge eine höhere Lebensdauer des Verdichters erreicht werden kann. Eine vollständige Durchmischung wird durch den Verdichter selbst realisiert. Dadurch, dass eine rotationssymmetrisch homogene Geschwindigkeitsverteilung im gemeinsamen Massenstrom vorliegt, kann der Verdichter sehr verlust- und geräuscharm betrieben werden.
Die Austrittsfläche des Ringspaltes AR und die Austrittsfläche der Luftleitung AL an der Stelle des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung an die Luftleitung sind Auslegungsparameter, die aufgrund der gewünschten Luft- und Abgasmassenströme für den individuellen Anwendungsfall ausgelegt werden müssen. Vorteilhafterweise ist allerdings vorgesehen, dass die Austrittsfläche des Ringspaltes AR und die Austrittsfläche der Luftleitung AL an der Stelle des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung 20 an die Luftleitung 10 in einem Verhältnis von AR/AL = 0,25 bis 0,30 stehen.
In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasrückführungssystems sind im Bereich des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung an die Luftleitung diese beiden Leitungen durch ein einziges Bauteil ausgebildet, welches zwei voneinander durch den Ringspalt beabstandete Endbereiche der Luftleitung sowie die Zuführungseinrichtung umfasst, die die beiden Endbereiche mechanisch miteinander verbindet. Dadurch lässt sich ein geringes Gewicht bei gleichzeitig geringem Bauraum und günstigen Fertigungsoptionen realisieren.
Es wird weiterhin erfindungsgemäß ein Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases zur Verfügung gestellt, bei dem der Strom des ersten Gases und der Strom eines zweiten Gases mittels einer Strahlpumpe vereinigt werden und in einem gemeinsamen Massenstrom weitergeleitet werden, wobei der Strom des ersten Gases über eine durch einen Ringspalt in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisierte Einmündung in eine gemeinsame Leitung geführt wird.
Vorzugsweise ist dabei das erste Gas Abgas eines Verbrennungsaggregates und das zweite Gas ist ein einem Verbrennungsaggregat zuzuführender Luftstrom, und der gemeinsame Massenstrom wird zum Verbrennungsaggregat weitergeleitet, und die gemeinsame Leitung ist eine Abgas-Luftleitung.
Das heißt, dass erfindungsgemäß ein Verfahren zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsaggregates zu einem dem Verbrennungsaggregat zuzuführenden Luftstrom zur Verfügung gestellt wird, bei dem der Abgas- und der Luftstrom mittels einer Strahlpumpe vereinigt werden und in einem gemeinsamen Massenstrom zum Verbrennungsaggregat weitergeleitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Abgasrückführungssystems durchgeführt.
Dabei sollten der Abgas-Massenstrom Ma und der Massenstrom der zuzuführenden Luft Ml in einem Verhältnis von Ma/Ml = 0,0 bis 05 stehen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsaggregat, welches einen Verbrennungsmotor sowie ein daran angeschlossenes erfindungsgemäßes Gaszuführungssystem umfasst. Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise ein Otto-Motor, wobei auch die Anwendung der Erfindung an einer andersartigen Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung nicht ausgeschlossen werden soll. Weitere mögliche Bestandteile des Verbrennungsaggregates können Aufladeaggregate, Katalysatoren, Filter, Schalldämpfer und weitere herkömmliche Komponenten sein.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches ein erfindungsgemäßes Verbrennungsaggregat aufweist. Ein solches Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen sein.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten und auf eine Abgasrückführung bezogenen Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Strahlpumpe in einer Schnittansicht von der Seite,
2 eine erfindungsgemäße Strahlpumpe in perspektivischer Ansicht,
3 eine erfindungsgemäße Strahlpumpe in Schnittansicht von oben,
4 eine schematische Darstellung der Austrittsflächen,
5 eine schematische Darstellung des Dichteverlaufs in einem Längsschnitt,
6 schematische Darstellungen der Geschwindigkeitsverteilung in Querschnitten,
7 ein erfindungsgemäßes Verbrennungsaggregat in perspektivischer Darstellung und
8 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
In 1 ist die erfindungsgemäße Strahlpumpe 1 in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Diese Strahlpumpe 1 umfasst eine Luftleitung 10, mit der Frischluft einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor zuzuführen ist. Diese Luftleitung 10 endet in der Luftdüse 12 und ist über einen Ringspalt 41 beziehungsweise über eine diesen Ringspalt umgebene Abgasdüse 40 mit der Zuführungseinrichtung 60 des Abgases verbunden, wobei die Luftdüse 12 und die Abgasdüse 40 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Der Ringspalt 41 wird durch die Abgasdüse 40 ausgebildet, welche als Element der Zuführungseinrichtung 60 zur Zuführung eines Abgasstroms 21, der durch die Abgasrückführungsleitung 20 in die Zuführungseinrichtung 60 geleitet wird, dient. Das heißt, dass die Abgasrückführungsleitung 20 mit einer an ihrer Innenkontur im Wesentlichen spiralförmigen Zuführungseinrichtung 60 verbunden ist, welche mit einer ringförmigen Einmündung 30, die den Ringspalt 41 ausbildet, verbunden ist. Die Abgasdüse 40 bildet somit mit der Wandung der Luftleitung 10 eine düsenförmige Verengung aus. Der Austrittsquerschnitt AR des Ringspaltes 41 sowie die Durchmesser der Zuführungseinrichtung 60, der Luftleitung 10, der Abgasrückführungsleitung 20 und der Abgas-Luftleitung 70 sind dabei derart bemessen, dass bei Durchströmung der Luftleitung 10 mit einem Luftstrom 11 in der Abgasrückführungsleitung 20 vorhandenes Abgas aufgrund des Venturi-Prinzips mitgenommen wird und dadurch ein gemeinsamer Massenstrom 50 erzeugt wird.
Auch die Austrittsfläche AL der Luftleitung 10 ist dabei im Bezug zur Austrittsfläche AR des Ringspaltes 41 derart auszuwählen, dass sich der Strahlpumpen-Effekt ausbildet. Dadurch wird erreicht, dass der Abgasstrom 21 alleine nur aufgrund des Venturi-Effektes mit dem Luftstrom 11 mitgezogen wird und ein gemeinsamer Massenstrom 50 weitergeführt wird. Das heißt, dass keine weitere Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Abgas-Luftleitung 70 und/oder eine Einrichtung zur Zeugung eines Überdrucks in der Abgasrückführungsleitung 20 vorgesehen seien muss, um die gewünschte Zusammenführung der beiden Massenströme zu realisieren.
Durch die Ausrichtung der Abgasdüse 40 im Wesentlichen in Richtung des zu erzeugenden gemeinsamen Massenstroms 50 wird gewährleistet, dass der Abgasstrom 21 dem Luftstrom 11 quasi gleichgerichtet zu dessen Strömungsrichtung zugeführt wird, so dass die Ausbildung von Turbulenzen verhindert wird. Dies wiederum bewirkt, dass kein oder lediglich ein zu vernachlässigender Druckabfall in der Abgas-Luftleitung 70 zu verzeichnen ist, so dass die Zusammenführung der beiden Massenströme außerordentlich effizient realisierbar ist. Weiterhin wird durch die im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Luft verlaufende Zuführung des Abgasstromes 21 an den Luftstrom 11 die Ausbildung von so genannten Toträumen verhindert, in denen sich Abgaspartikel ansammeln könnten und somit die zu durchströmenden Querschnitte negativ beeinflussen könnten. Versuche haben gezeigt, dass sogar in dem Fall, wenn kein Abgas 21 zur Zuführung zum Luftstrom 11 in der Abgasrückführungsleitung 20 vorhanden ist, trotzdem keine Turbulenzen im Bereich der Einmündung 30 zu verzeichnen sind.
In 2, die die erfindungsgemäße Strahlpumpe 1 zeigt, ist deutlich ersichtlich, dass die Abgasrückführungsleitung 20 im Wesentlichen normal an die Luftleitung 10 herangeführt wird und die sich an die Abgasrückführungsleitung 20 anschließende Zuführungseinrichtung 60 um die Luftleitung 10 im Wesentlichen herum windet, wobei das innere Ende der Spirale 62 einen kleineren Durchmesser aufweist als die Zuführungseinrichtung 60 an der Verbindungsstelle zur Abgasrückführungsleitung 20. Weiterhin ist ersichtlich, dass in Richtung des Luftstromes 11 die Abgas-Luftleitung 70 nach dem Verbindungsbereich mit der Abgasrückführungsleitung 20 eine Abwinklung (hier nach rechts dargestellt) aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige winklige beziehungsweise gebogene Abgas-Luftleitung 70 eingeschränkt, sondern es kann, bei ausreichenden Bauraumverhältnissen, auch vorgesehen sein, dass die Abgas-Luftleitung 70 im Wesentlichen linear fortgesetzt wird.
Der spiralförmige Verlauf der Außenkontur der Zuführungseinrichtung 60 ist insbesondere aus der in 3 dargestellten Ansicht der erfindungsgemäßen Strahlpumpe 1 von oben erkennbar. Deutlich ersichtlich ist dabei auch, dass das innere Ende der Spirale 62 einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweist als die Zuführungseinrichtung 60 im Bereich des Anschlusses an die Abgasrückführungsleitung 20. Erkennbar ist weiterhin, dass der Abgasstrom 21 in einer zunächst normalen Abgaszuführung 61 an die Luftleitung 10 herangeführt und an der Außenwandung der Luftleitung 10 umgelenkt wird, an dieser entlangströmt und durch den Ringspalt 41 im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Luft in die Abgas-Luftleitung 70 gelangt. Die dargestellte Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, da durch die den Ringspalt 41 umgebende Zuführungseinrichtung 60 gewährleistet ist, dass über den ganzen Umfang des Ringspaltes 41 der Abgasstrom 21 in den Luftstrom 11 geleitet werden kann, so dass eine effiziente Zusammenführung der beiden Massenströme möglich ist.
4 zeigt zur Verdeutlichung der Flächenverhältnisse die Austrittsfläche AR des Ringspaltes 41 sowie die Austrittsfläche AL der Luftleitung 10 an der Einleitstelle.
In der in 5 dargestellten Schnittansicht durch die Massenströme ist der Luftstrom 11 erkennbar, dem quasi gleichgerichtet der Abgasstrom 21 zugeführt wird, wobei die beiden Massenströme nach der Zuführung den gemeinsamen Massenstrom 50 ausbilden.
Erkennbar ist weiterhin, dass nach der quasi gleichgerichteten Zuführung des Abgasstromes 21 im gemeinsamen Massenstrom 50 ein Bereich geringster Dichte 51 ausgebildet ist, da direkt nach der Zuführung des Abgasstromes 21 lediglich dieser im gemeinsamen Massenstrom an dessen Umfang vorhanden ist, wobei der Abgasstrom 21 eine höhere Temperatur als der Luftstrom 11 aufweist und demzufolge eine geringere Dichte. Im Zentrum des gemeinsamen Massenstroms 50 befindet sich der Bereich der größten Dichte 52, da dort der zentral strömende Luftstrom 11 vorhanden ist, der aufgrund seiner geringeren Temperatur eine größere Dichte aufweist. Ersichtlich ist, dass ein Dichteausgleich stattfindet, je weiter die beiden Massenströme gemeinsam strömen.
6a und 6b zeigen in Querschnitten durch den gemeinsamen Massenstrom 50 die Geschwindigkeitsverteilung zunächst an der Stelle der Einmündung 30 des Abgasstromes 21 in den Luftstrom 11 und im folgenden stromabwärts. Deutlich erkennbar ist, dass kurz nach der Einmündung (6a) noch Geschwindigkeitsunterschiede in radialer Richtung existieren. Im weiteren Verlauf homogenisiert sich das Geschwindigkeitsfeld weitgehend (6b). Das sich dort ausbildende Geschwindigkeitsfeld ist insbesondere für einen sich daran anschließenden Verdichter vorteilhaft.
7 stellt in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Verbrennungsaggregat 100 dar, wobei deutlich ersichtlich ist, dass als Bestandteil eines Abgasrückführungssystems 80 die erfindungsgemäße Strahlpumpe 1 am Verbrennungsmotor 90 angeordnet ist.
Bei Integration des erfindungsgemäßen Verbrennungsaggregates 100 in einem in 8 dargestellten Kraftfahrzeug wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches ein gewichtsoptimiertes sowie bauraumoptimiertes Abgasrückführungssystem 80 aufweist, welches energieeffizient und verschleiß- beziehungsweise wartungsfrei eine effiziente Zusammenführung von rückzuführendem Abgas mit Frischluft gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Strahlpumpe
10: Luftleitung
11: Luftstrom; Luftmassenstrom; Strömungsrichtung des Luftstromes
12: Luftdüse
20: Abgasrückführungsleitung
21: Abgasstrom; Abgasmassenstrom; Strömungsrichtung des Abgasstromes
30: Einmündung
40: Abgasdüse
41: Ringspalt
50: gemeinsamer Massenstrom; Strömungsrichtung des gemeinsamen Massenstroms
51: Bereich geringster Dichte
52: Bereich größter Dichte
60: Zuführungseinrichtung (Spiralgehäuse)
61: normale Abgaszuführung
62: inneres Ende der Spirale
70: Abgas-Luftleitung
80: Abgasrückführungssystem
90: Verbrennungsmotor
100: Verbrennungsaggregat
AR: Austrittsfläche des Ringspaltes
AL: Austrittsfläche der Luftleitung
Ma: Abgasmassenstrom
Ml: Massenstrom der zuzuführenden Luft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3931811 C2 [0005]
DE 3106588 A1 [0006]
DE 10007243 C1 [0007]

Claims

Gaszuführungssystem zur Führung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases, welches eine Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes sowie eine Leitung zur Zuführung des ersten Gases umfasst, welche an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, so dass das erste Gas und das zweite Gas in einem gemeinsamen Massenstrom weiterleitbar sind, wobei die Leitung zur Zuführung des ersten Gases derart an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, dass die Leitung zur Zuführung des ersten Gases und die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes zusammen eine Strahlpumpe (1) ausbilden und die Leitung zur Zuführung des ersten Gases mittels einer Einmündung (30) an die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung (30) durch einen Ringspalt (41) in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisiert ist.
Gaszuführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein Abgasrückführungssystem (80) ausgestaltet ist, das zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsaggregates (100) zu einem dem Verbrennungsaggregat (100) zuzuführenden Luftstrom eingerichtet ist, wobei das erste Gas das Abgas eines Verbrennungsaggregates (100) ist und der Strom des zweiten Gases der dem Verbrennungsaggregat (100) zuzuführende Luftstrom ist; die Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes eine Luftleitung (10) zur Zuführung des Luftstromes (11) ist und die Leitung zur Zuführung des ersten Gases eine Abgasrückführungsleitung (20) ist, die an die Luftleitung (10) derart angeschlossen ist, so dass Abgas und Luft in einem gemeinsamen Massenstrom (50) zum Verbrennungsaggregat (100) weiterleitbar sind.
Gaszuführungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführungssystem (80) als Bestandteil der Abgasrückführungsleitung (20) eine Zuführungseinrichtung (60) umfasst, die an den Ringspalt (41) angeschlossen ist und bewirkt, dass der Abgas-Massenstrom (Ma) über den Ringspalt (41) dem Luftstrom (11) im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Luft zuführbar ist oder zugeführt wird.
Gaszuführungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (60) an ihrer äußeren Kontur im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet ist und einen Strömungsverlauf realisiert, der tangential an der Außenwandung der Luftleitung (10) am Ringspalt (41) entlangführt.
Gaszuführungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der spiralförmigen Zuführungseinrichtung (60) im Wesentlichen kontinuierlich in Richtung des inneren Endes der Spirale (62) abnimmt.
Gaszuführungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführungssystem (80) derart ausgestaltet ist, dass die Zuführungseinrichtung (60) zusammen mit der Außenwandung der Luftleitung (10) eine Umlenkung des Abgasstromes (21) derart realisiert, dass dieser zum Ringspalt (41) strömt, wobei an diesem eine Abgasdüse (40) angeordnet ist, mit der der Massenstrom (21) des zuzuführenden Abgases im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Luftstroms (11) in eine gemeinsame Abgas-Luftleitung (70) einleitbar ist.
Gaszuführungssystem (80) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abgas-Luftleitung (70) stromabwärts des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung (20) ein Verdichter zur Komprimierung des Luft-Abgasgemisches angeordnet ist.
Gaszuführungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche des Ringspaltes (AR) und die Austrittsfläche der Luftleitung (AL) an der Stelle des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung (20) an die Luftleitung (10) in einem Verhältnis von AR/AL = 0,25 bis 0,30 stehen.
Gaszuführungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführungssystem (80) derart eingerichtet ist, dass bei den jeweils herrschenden Massenströmen des Abgases und der zuzuführenden Luft weder ein Überdruck in der Abgasrückführungsleitung (20) noch ein Unterdruck in der Abgas-Luftleitung (70) erzeugt werden muss, um nach Zusammenführung der Massenströme eine im Wesentlichen homogene Strömung der zuzuführenden Luft und des Abgases im gemeinsamen Massenstrom (50) zu realisieren.
Gaszuführungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Anschlusses der Abgasrückführungsleitung (20) an die Luftleitung (10) diese beiden Leitungen durch ein einziges Bauteil ausgebildet sind, wobei die Luftdüse (12) und die Abgasdüse (40) als konzentrisch angeordnete und durch den Ringspalt (41) beabstandete Bauteile ausgeführt sind, welche in der gemeinsamen Abgas-Luftleitung (70) münden, und welche über die Zuführungseinrichtung (60) mechanisch miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases, bei dem der Strom des ersten Gases und der Strom eines zweiten Gases mittels einer Strahlpumpe (1) vereinigt werden und in einem gemeinsamen Massenstrom (50) weitergeleitet werden, wobei der Strom des ersten Gases über eine durch einen Ringspalt (41) in der Leitung zur Führung des zweiten Gasstromes realisierte Einmündung (30) in eine gemeinsame Leitung geführt wird.
Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases nach Anspruch 11, bei dem das erste Gas Abgas eines Verbrennungsaggregates (100) ist und das zweite Gas ein einem Verbrennungsaggregat (100) zuzuführender Luftstrom (11) ist, und der gemeinsame Massenstrom (50) zum Verbrennungsaggregat (100) weitergeleitet wird, und die gemeinsame Leitung eine Abgas-Luftleitung (70) ist.
Verfahren zur Zuführung eines ersten Gases zu einem Strom eines zweiten Gases nach Anspruch 12, wobei der Abgas-Massenstrom (Ma) und der Massenstrom der zuzuführenden Luft (Ml) in einem Verhältnis von Ma/Ml = 0,0 bis 0,5 stehen.
Verbrennungsaggregat (100), umfassend einen Verbrennungsmotor (90) sowie ein daran angeschlossenes Gaszuführungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Kraftfahrzeug, umfassend ein Verbrennungsaggregat (100) nach Anspruch 14.