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DE19924398A1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem

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DE19924398A1
DE19924398A1 DE19924398A DE19924398A DE19924398A1 DE 19924398 A1 DE19924398 A1 DE 19924398A1 DE 19924398 A DE19924398 A DE 19924398A DE 19924398 A DE19924398 A DE 19924398A DE 19924398 A1 DE19924398 A1 DE 19924398A1
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internal combustion
combustion engine
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heat exchanger
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Henryk Bednarek
Hariolf Gentner
Werner Lugs
Markus Kutscha
Wolfgang Kuttler
Peter Nefischer
Ewald Riemeyer
Wolfgang Seiler
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, das einen zu- und abflußseitig mit einem Kühlmittelumlauf einer kennfeldgesteuerten Brennkraftmaschine verbundenen Wärmetauscher zur Kühlung des über ein AGR-Ventil gesteuert in die Maschinen-Ansaugluft rückgeführten Abgases umfaßt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der AGR-Wärmetauscher zur Nutzung von Abgaswärme zur schnellen Erwärmung des Kühlmittelumlaufes in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine gesteuert betreibbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, das einen mit einem mittels eines Thermostaten gesteuerten Kühlmittelumlauf einer kennfeld­ gesteuerten Brennkraftmaschine zu- und abflußseitig verbundenen Wärmetauscher zur Kühlung des über ein AGR-Ventil gesteuert in die Maschinen-Ansaugluft rück­ geführten Abgases umfaßt, wobei der Wärmetauscher zu- oder abflußseitig über einen Drossel-Thermostaten gesteuert ist.
Ein derartiger Abgas-Wärmetauscher für ein Abgasrückführsystem einer flüssig­ keitsgekühlten Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 28 42 653 A1 bekannt, der der Kühlung des rückgeführten Abgases dient.
Weiter ist aus der DE 28 32 571 C ein Abgas-Kühlmittel-Wärmetauscher für eine Brennkraftmaschine bekannt, der in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zum Aufheizen des Kühlmittels benutzt wird, um so die Warmlaufphase zu verkür­ zen. Weiter kann die dem Kühlmittel in dieser Betriebsphase zugeführte Wärme­ energie bei niedrigen Außentemperaturen außerdem zum Heizen des Fahrgast­ raumes sowie zur Windschutzscheiben-Enteisung genutzt werden. Eine Kühlung des in die Maschinen-Ansaugluft rückgeführten Abgases ist bei dieser bekannten Anordnung nicht vorgesehen.
Weiter ist aus der DE 25 53 174 A eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine zum Antrieb von Fahrzeugen bekannt, die einen zusätzlichen, vom Abgas durch­ strömten Wärmetauscher umfaßt, der sowohl mit dem Leitungskreislauf der Maschinenkühlung als auch mit einer Fahrzeug-Heizvorrichtung in Verbindung steht. Damit kann die Heizvorrichtung nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine insbe­ sondere bei tiefen Außentemperaturen und noch kalter Brennkraftmaschine relativ rasch wirksamer werden, wobei ferner über die Verbindung mit der Maschinen­ kühlung auch die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine wesentlich verkürzt ist. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine Abkühlung des rückgeführten Ab­ gases nicht vorgesehen.
Dies trifft auch zu für die aus der DE 197 26 217 A1 bekannte Vorrichtung mit einem im Hauptstrom des Abgases einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine ange­ ordneten Wärmetauscher, der insbesondere neben einer Verkürzung der Warmlauf phase auch einer früh wirksamen Fahrzeug-Heizung dient.
Wie aus dem vorbeschriebenen Stand der Technik erkennbar, ist mit der Übertra­ gung von Abgaswärme an das Kühlwasser ein erheblicher Bauaufwand verbunden. Mit der Anordnung eines Abgas-/Wasser-Wärmetauschers zur Kühlung von in die Maschinen-Ansaugluft rückgeführtem Abgas sind Funktionsnachteile verbunden, die sowohl die Dimensionierung als auch die Anordnung des AGR-Kühlers innerhalb des Kühlmittelumlaufes der Brennkraftmaschine betreffen. So ist innerhalb des AGR-Bereiches der Kühlmitteldurchsatz durch den AGR-Kühler mittels eines Ther­ mostaten zu drosseln, da bei zu starker Abkühlung der AGR-Menge die Vorteile der NOx-Absenkung durch Anstiege der HC-Emissionen teilweise kompensiert werden. Außerhalb des AGR-Bereiches bei geschlossener Abgasrückführleitung in die Ma­ schinen-Ansaugluft muß die durch Gaspulsation anfallende, insbesondere im Vollastbereich größenordnungsmäßig über der eigentlichen AGR-Wärmemenge liegende Abgaswärme abgeführt werden, um örtliches Sieden im AGR-Kühler bzw. Wärmetauscher zu vermeiden. Dies bedingt eine deutlich über die Erfordernisse der reinen AGR-Kühlfunktion hinausgehende Kühlerdimensionierung. Wird schließlich der Zulauf des AGR-Kühlers bzw. Wärmetauschers an den Rücklauf des Wasser­ kühlers der Brennkraftmaschine angeschlossen, um zur Erzielung einer guten Kühl­ wirkung den AGR-Wärmetauscher mit möglichst kaltem Wasser anspeisen zu kön­ nen, so ergibt dies bei geschlossenem Thermostaten der Brennkraftmaschine, also in einem Betriebsbereich, in dem eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine erwünscht bzw. zusätzlich auch Heizbedarf erwartet ist, daß der AGR-Wärme­ tauscher bzw. Kühler seine Wärme an den externen Kühlmittelumlauf abgibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Brennkraft­ maschine unter Verwendung eines AGR-Wärmetauschers mit geringem Aufwand in einem bestimmten Betriebsbereich die im Abgas vorhandene Wärme zu nutzen.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß der AGR-Wär­ metauscher zur Nutzung von Abgaswärme gesteuert betreibbar ist, wobei in einer Abgasrückführleitung stromab des AGR-Ventils eine erste Weiche zur Verbindung mit einer Maschinen-Abgasleitung und in einer Zu- oder Abflußleitung des AGR- Wärmetauschers in einer dessen Drossel-Thermostaten umgehenden Bypass-Lei­ tung eine zweite Weiche zum Kühlmittelumlauf vorgesehen sind, wobei das AGR- Ventil sowie die beiden Weichen bei Abgaswärme-Rückführung in den Kühl­ mittelumlauf kennfeldgesteuert sind auf einen freien, jeweiligen Mediumsdurchlaß.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einem gegebenen AGR-Wärmetauscher in einfacher Weise zu realisieren für eine vorteilhaft rasche Erwärmung des Kühl­ mittels der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart.
Für eine gleichzeitige rasche Erwärmung einer Fahrzeugheiz- und/oder Klimaanlage ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der AGR-Wärmetauscher stromauf des Thermostaten der Brennkraftmaschine mit dem Kühlmittelumlauf zu­ laufseitig in Verbindung steht. Damit wird in vorteilhafter Weise dem AGR-Wärme­ tauscher in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart sich erwärmendes Kühlmittel zugeführt, das seinerseits durch das Abgas weiter erwärmt ist. Diese Anordnung erlaubt in weiterer vorteilhafter Weise das durch Nutzung der Abgaswärme rascher erwärmte Kühlmittel in den internen bzw. Kurzschluß-Kreislauf der Brennkraftmaschine einzuspeisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß der AGR- Wärmetauscher bei Abgaswärme-Rückführung zulaufseitig gesteuert stromauf des Thermostaten der Brennkraftmaschine mit dem Kühlmittelumlauf und bei an­ schließender Abgas-Kühlung zulaufseitig gesteuert stromab eines Kühlers der Brennkraftmaschine mit dem Kühlmittelumlauf verbindbar ist. Mit dieser Ausgestal­ tung kann bei einem an die Warmlaufphase im Teillastbetrieb anschließenden Ab­ gasrückführ-Betrieb der AGR-Wärmetauscher mit relativ kühlem Kühlmittel beauf­ schlagt werden.
Hinsichtlich der einfachen Ausgestaltung wird weiter vorgeschlagen, daß die erste Weiche als Abgasweiche und die zweite Weiche als Kühlmittelweiche jeweils als eine Steuerklappen-Vorrichtung gestaltet sind.
Um die Gasdynamik der Maschinen-Abgasleitung durch den Nebenstrom über den AGR-Wärmetauscher bei geöffneter Abgasweiche nicht wesentlich zu stören, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung stromab der Abgasweiche in der Verbindung mit der Maschinen-Abgasleitung eine Drosselstelle angeordnet. Diese Anordnung ist insbesondere bei einem in der Maschinen-Abgasleitung angeordneten Abgasturbo­ lader von Bedeutung, wobei die gedrosselte Verbindung nach einem weiteren Vor­ schlag stromab der Turbine des Abgasturboladers in die Maschinen-Abgasleitung mündet. Zur vorteilhaft schnellen Erwärmung des Kühlmittelumlaufes im internen Kreislauf der Brennkraftmaschine ist ferner vorgeschlagen, daß der AGR-Wärme­ tauscher abflußseitig mit einer Rücklaufleitung einer mit dem Kühlmittelumlauf der Brennkraftmaschine gesteuert verbindbaren Fahrzeugheiz- und/oder Klimaanlage in Verbindung steht. Da diese Heiz-Rücklaufleitung üblicherweise in den internen bzw. Kurzschlußkreis der Brennkraftmaschine stromauf einer Wasserpumpe mündet, ist somit eine rasche und intensive Erwärmung der Brennkraftmaschine einschließlich der zusteuerbaren Fahrzeugheizung erzielt.
Um schließlich bei einer mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraft­ maschine im Kaltstartbereich die Wirkung des Abgasturboladers durch den Abgas- Nebenstromweg über den AGR-Wärmetauscher nicht ungünstig zu beeinflussen, wird weiter vorgeschlagen, daß die Abgasweiche und die Kühlmittelweiche sowie das AGR-Ventil bei einem in der Maschinen-Abgasleitung vorgesehenen Lader nach Maschinenstart zeitverzögert offen gesteuert sind. Damit ist das Hochlaufen des Abgasturboladers auf alle Fälle sichergestellt.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Kühl­ mittelkreislaufes einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit einem Abgas­ rückführsystem beschrieben.
Eine flüssigkeitsgekühlte, kennfeldgesteuerte Brennkraftmaschine 1 mit einem Ab­ gasrückführsystem 2 umfaßt einen mit, einem mittels eines Thermostaten 3 ge­ steuerten Kühlmittelumlauf zu- und abflußseitig verbundenen AGR-Wärmetauscher 5 zur Kühlung des über ein AGR-Ventil 6 gesteuert in die Maschinen-Ansaugluft 7 rückgeführten Abgases, wobei der AGR-Wärmetauscher 5 abflußseitig über einen Drossel-Thermostaten 8 gesteuert ist.
Um bei dieser Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung des AGR-Wärmetauschers 5 in der Kaltstartphase die im Abgas enthaltene Wärme zu nutzen, wird erfindungs­ gemäß vorgeschlagen, daß der AGR-Wärmetauscher 5 zur Nutzung von Abgas­ wärme gesteuert betreibbar ist, wobei in einer Abgasrückführleitung 9 stromab des AGR-Ventils 6 eine erste Weiche 10 zur Verbindung mit einer Maschinen-Abgas­ leitung 11 und in der Abflußleitung 12 des AGR-Wärmetauschers 5 in einer dessen Drossel-Thermostaten 8 umgehenden Bypass-Leitung 13 eine zweite Weiche 14 zum Kühlmittelumlauf der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen sind, wobei das AGR- Ventil 6 sowie die beiden Weichen 10 und 14 bei Abgaswärme-Rückführung in den Kühlmittelumlauf 4 kennfeldgesteuert sind auf einen freien, jeweiligen Me­ diumsdurchlaß.
Um in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 eine rasche Erwärmung des umlaufenden Kühlmittels zu erzielen, steht der AGR-Wärmetauscher 5 stromauf des Thermostaten 3 der Brennkraftmaschine 1 mit dem Kühlmittelumlauf 4 zulaufseitig in Verbindung, womit maschinenseitig erwärmtes Kühlmittel dem AGR-Wärmetauscher 5 zugeführt ist, dessen Temperatur durch die Nutzung der Abgaswärme weiter ge­ steigert ist.
Um gegebenenfalls bei an die Warmlaufphase anschließender Abgasrückführung im Teillastbereich eine stärkere Kühlung des rückgeführten Abgases zu erreichen, kann die Brennkraftmaschine 1 weiter so ausgerüstet sein, daß bei Abgas-Kühlung der AGR-Wärmetauscher 5 zulaufseitig - nicht gezeigt - gesteuert stromab eines Kühlers 15 der Brennkraftmaschine 1 mit dem Kühlmittelumlauf 4 verbindbar ist.
Zur Erzielung eines einfachen Aufbaues der Anordnung zur Abgas-Wärme-Nutzung sind die erste Weiche 10 als Abgasweiche und die zweite Weiche 14 als Kühlmittel­ weiche jeweils als eine Steuerklappen-Vorrichtung gestaltet, die jeweils kennfeld­ gesteuert betätigt sind.
Um die Gasdynamik der Maschinen-Abgasleitung 11 nicht wesentlich zu stören durch den Abgas-Nebenstrom durch den AGR-Wärmetauscher 5 bei wirksamer Ab­ gaswärme-Nutzung durch die offen gesteuerte Abgasweiche 10 ist stromab der Ab­ gasweiche 10 in einer Verbindung 16 mit der Maschinen-Abgasleitung 11 eine Drosselstelle 17 angeordnet.
Bei einer insbesondere als Dieselmotor gestalteten Brennkraftmaschine 1 mit einem in der Maschinen-Abgasleitung 11 angeordneten Abgasturbolader 18 ist hierbei we­ sentlich, daß die gedrosselte Verbindung 16 stromab der Turbine des Abgasturbo­ laders 18 in die Maschinen-Abgasleitung 11 mündet.
Zur Erzielung einer raschen Erwärmung des Kühlmittels im Kühlmittelumlauf 4 steht der AGR-Wärmetauscher 5 abflußseitig mit einer Rücklaufleitung 19 einer mit dem Kühlmittelumlauf 4 der Brennkraftmaschine 1 gesteuert verbindbaren Fahrzeug- und/oder Klimaanlage 20 in Verbindung, wobei die Heizungs-Rücklaufleitung 19 stromab des Thermostaten 3 der Brennkraftmaschine 1 stromauf eines Zulaufes einer Wasserpumpe 21 einmündet.
Um das Hochlaufen des Abgasturboladers 18 der Brennkraftmaschine 1 nach einem Kaltstart sicherzustellen, sind die Abgasweiche 10 und die Kühlmittelweiche 14 so­ wie das AGR-Ventil 6 nach einem Maschinenstart zeitverzögert offen gesteuert.
Im übrigen kann der AGR-Wärmetauscher 5 mit einem separaten, wassergekühlten Ladeluftkühler (nicht gezeigt) baulich kombiniert sein.

Claims (8)

1. Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem,
  • - das einen mit einem mittels eines Thermostaten (3) gesteuerten Kühlmittelumlauf (4) einer kennfeldgesteuerten Brennkraftmaschine (1) zu- und abflußseitig verbundenen AGR-Wärmetauscher (5) zur Kühlung des über ein AGR-Ventil (6) gesteuert in die Maschinen-An­ saugluft (7) rückgeführten Abgases umfaßt, wobei
  • - der AGR-Wärmetauscher (5) zu- oder abflußseitig über einen Drossel-Thermostaten (8) gesteuert ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der AGR-Wärmetauscher (5) zur Nutzung von Abgaswärme ge­ steuert betreibbar ist, wobei
  • - in einer Abgasrückführleitung (9) stromab des AGR-Ventils (6) eine erste Weiche (10) zur Verbindung mit einer Maschinen-Abgasleitung (11) und
  • - in einer Zu- oder Abflußleitung (12) des AGR-Wärmetauschers (5) in einer dessen Drossel-Thermostaten (8) umgehenden Bypass-Leitung (13) eine zweite Weiche (14) zum Kühlmittelumlauf (4) vorgesehen sind, wobei
  • - das AGR-Ventil (6) sowie die beiden Weichen (10, 14) bei Abgas­ wärme-Rückführung in den Kühlmittelumlauf (4) kennfeldgesteuert sind auf einen freien, jeweiligen Mediumsdurchlaß.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der AGR-Wärmetauscher (5) stromauf des Thermostaten (3) der Brennkraft­ maschine (1) mit dem Kühlmittelumlauf (4) zulaufseitig in Verbindung steht.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der AGR-Wärmetauscher (5) bei Abgaswärme-Rückführung zu­ laufseitig gesteuert stromauf des Thermostaten (3) der Brennkraft­ maschine (1) mit dem Kühlmittelumlauf (4) und
  • - bei Abgas-Kühlung zulaufseitig gesteuert stromab eines Kühlers (15) der Brennkraftmaschine (1) mit dem Kühlmittelumlauf (4) verbindbar ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß die erste Weiche (10) als Abgasweiche und
  • - die zweite Weiche (14) als Kühlmittelweiche jeweils als eine Steuer­ klappen-Vorrichtung gestaltet sind.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß stromab der Abgasweiche (10) in einer Verbindung (16) mit einer Maschinen-Abgasleitung (11) eine Drosselstelle (17) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (16) stromab der Turbine eines Abgasturboladers (18) in die Ma­ schinen-Abgasleitung (11) mündet.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der AGR-Wärmetauscher (5) abflußseitig mit einer Rücklauf­ leitung (19) einer mit dem Kühlmittelumlauf (4) der Brennkraftmaschine (1) gesteuert verbindbaren Fahrzeugheiz- und/oder Klimaanlage (20) in Verbin­ dung steht.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgasweiche (10) und die Kühlmittelweiche (14) sowie das AGR-Ventil (6) bei einem in der Maschinen-Abgasleitung (11) vorgese­ henen Lader (18) nach einem Maschinenstart zeitverzögert offen gesteuert sind.
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