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DE60120967T2 - Verfahren und vorrichtung zur abgasrückgewinnung und eine aufgeladene dieselkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur abgasrückgewinnung und eine aufgeladene dieselkraftmaschine Download PDF

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung jeweils nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 5. Sie betrifft außerdem einen eine solche Vorrichtung enthaltenden aufgeladenen Dieselmotor.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Es ist bereits bekannt, in turbo-aufgeladenen Dieselmotoren Abgase zu dem Motoreinlass zurückzuführen, um den Gehalt von Stickoxiden in den Abgasen zu verringern. Hierbei wirken die zurückgeführten Abgase derart, dass sie die Verbrennungstemperatur verringern, was dazu führt, dass eine geringere Menge des Stickstoffs in der Einlassluft in Stickoxide umgewandelt werden kann. Dieser üblicherweise EGR (englisch: exhaust gas recirculation = deutsch: Abgasrückführung) genannte Prozess ist oft in Ottomotoren als eine relativ einfache Art zum Verringern des Gehalts von schädlichen Abgasemissionen verwendet worden. Andererseits ist diese Technik in Dieselmotoren in keinem so großen Ausmaß eingesetzt worden, was unter anderem mit der Tatsache zusammenhängt, dass besondere mit diesen Motoren verbundene Probleme auftreten, die den Einsatz einer Ottomotorlösung nicht direkt in Dieselmotoren möglich machen.
  • Eines dieser besonderen Probleme besteht darin, dass die Verbrennung in Dieselmotoren normalerweise mit Luftüberschuss geschieht. Das führt indirekt zu dem Erfordernis, relativ große Mengen von Abgasen während eines relativ großen Betriebsbereichs des Motors zu übertragen, um die gewünschte Funktion zu erreichen. Im Fall eines Motors des aufgeladenen Typs wird dieses Problem verstärkt, da in diesem Fall der Druck in dem Einlasssystem des Motors während eines großen Teils des Betriebsbereiches größer ist als der Druck in dem Abgassystem.
  • Unter den in aufgeladenen Motoren zu verwendenden bekannten Lösungen können zwei Hauptprinzipien der Lösungen unterschieden werden, die üblicherweise mit "short route EGR" (= Kurzroutenabgasrückführung) und "long route EGR" (= Langroutenabgasführung) bezeichnet werden. Im ersten genannten Fall werden Abgase von einer Stelle vor einer Abgasturbine in dem Abgassystem entnommen und werden zu einer Stelle hinter einem Einlassluftkompressor zurückgeführt, der in dem Einlasssystem angeordnet ist. Im letzteren Fall werden Abgase von einer Stelle hinter der Abgasturbine entnommen und werden zu einer Stelle vor dem Einlassluftkompressor zurückgeführt. Beide dieser prinzipiellen Lösungen habe Vorteile und Nachteile.
  • Weiterhin könnten bezüglich dieser Erfindung US-A-5 611 203 und US-A-S 611 204 als bereits bekannter Stand der Technik genannt werden. Diese Dokumente beschreiben, wie Abgase zu einem Einlass in turbo-aufgeladenen Dieselmotoren durch eine Venturianordnung oder eine andere Art von in dem Einlasskanal angeordneten Ejektor zurückgeführt werden. Das System nach diesen Dokumenten verwendet den niedrigen statischen Druck, der in einem bestimmten Abschnitt der Ejektorvorrichtung vorherrscht, um einen EGR-Strom in die aufgeladene Luft hineinzupumpen.
  • In aufgeladenen Dieselmotoren mit doppelten Abgassammlern werden manchmal nur Abgase von einem dieser Abgassammler als EGR-Quelle verwendet, was jedoch zu einem unregelmäßigen EGR-Strom führt, was wiederum den Motor derart beeinflussen kann, dass sich ein entsprechend unregelmäßiger Betrieb ergeben wird.
  • In bereits bekannten Vorrichtungen, bei denen beide Abgassammler als EGR-Quelle verwendet werden, wurde tatsächlich ein gleichmäßigerer EGR-Strom erhalten, allerdings tritt bei der Zusammenführung der Gasströme leicht eine Querströmung von dem Kanal auf, in dem momentan der höchste Druck vorherrscht, zu dem Kanal, in dem der niedrigere Druck vorherrscht. Dies bedeutet, dass sich insgesamt ein niedrigerer Druck von verfügbaren EGR-Gasen und daher ein erhöhter Leistungsbedarf ergeben wird, um sie in den Einlasskanal des Motors zu pumpen.
  • Außerdem besteht das Risiko einer negativen Auswirkung auf den Turbo-Betrieb, da die vorhandene Energie verringert sein kann.
  • Um diese Probleme zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, Ventile mit einer Durchlassrichtung in den Kanälen stromauf des Punkts der Zusammenführung vorzusehen. Allerdings führt dies zu einem unerwünschten Druckabfall und niedrigerer Betriebszuverlässigkeit und erhöhten Kosten.
  • DAS ZIEL DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Lösung oder eine Reduzierung der Probleme des Stands der Technik bereitrustellen. Ein Hauptziel der Erfindung besteht daher darin, eine einfache, langlebige, ökonomische und effektive Lösung für eine EGR-Übertragung zu bieten.
  • Erfindungsgemäß wird dies in einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß dem Obenstehenden durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile jeweils von Anspruch 1 und 5 erreicht.
  • Durch die Erfindung wird erreicht, dass EGR-Gase in dem Einschnürungsbereich beschleunigt werden, was zu einem Zuwachs des dynamischen Drucks während gleichzeitiger Verringerung des statischen Drucks führt. Durch Auslegen des Einschnürungsbereichs derart, dass die beschleunigten EGR-Gase von dem Abgassammler mit dem höchsten vorherrschenden Druck derart beschleunigt werden, dass ihr statischer Druck dem statischen Druck der EGR-Gase aus dem Abgassammler mit dem niedrigsten Druck entsprechen, wird momentan keine Querströmung auftreten und es wird sicher sein, die Kanäle zu kombinieren. Der Verluststrom zwischen den Sammlern ist dadurch allein durch strömungsmodifizierende Maßnahmen und ohne jede Verwendung von Ventilen des Reed-Typs oder ähnlichem eliminiert worden. Darüber hinaus wird ein Rückfluss von der stromaufwärtigen Seite vermieden.
  • Weiterhin ist der Übergangsbereich derart ausgebildet, dass der Gasstrom von diesem Teil des Einschnürungsbereiches, wo momentan der höchste Druck vorherrscht, leicht zu der "entgegengesetzten" Seite übergeht und an sie angrenzt, während er gleichzeitig fortwährend an seine "eigene" Seite angrenzt.
  • Ferner ist der Diffusorbereich derart ausgebildet, dass der Gasstrom fortfährt, an der Wand des Diffusorbereichs über seine gesamte Länge ohne jegliche Vortexbildung zu haften und anzuliegen, die durch Stromablenkung auftritt. Dies wird durch Testen und Dimensionieren der verschiedenen Bereiche des Mischbereichs erreicht, während z.B. der Temperaturgradient und der Dichtegradient des Gases – in der Längsrichtung des Mischbereichs gesehen – berücksichtigt werden. Als ein Bespiel könnte erwähnt werden, dass der Querschnitt des Übergangsbereichs bevorzugt länglich, im Wesentlichen rechteckig oder zumindest fast schlitzförmig ausgebildet ist, mit Dimensionen von ca. 12 mm × 25 mm, beispielsweise für einen Sechs-Zylinder Dieselmotor mit einem Zylindervolumen von 11 Litern.
  • Durch das Ausbilden der die Teile des Einschnürbereichs abtrennenden Wand in Form einer Platte, deren stromabwärtiger Rand mit einer scharfen Kante oder scharf abgeschnittenen Kante endet, wird eine einfache Herstellung und effektive Funktion erreicht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen deutlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nun werden für die Erfindung beispielhafte Ausführungsformen detaillierter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 diagrammartig eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem turbo-aufgeladenen Vier-Takt Dieselmotor zeigt,
  • 2a eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in größerem Detail zeigt,
  • 2b diagrammartig eine Vorrichtung gemäß einer Variante der Erfindung zeigt, und
  • 3 den Druck in zwei Abgassammlern eines Dieselmotors als eine Funktion der Zeit zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt diagrammartig einen Verbrennungsmotor 1 des Kolbenmotortyps mit einem in einem geraden Reihenzylinderblock angeordneten Zylinder. Bei dem Motor handelt es sich um einen Vier-Takt-Dieselmotor, der für ein schweres Fahrzeug wie einen Lastkraftwagen oder einen Bus ausgelegt ist. Jeder Zylinder ist in seinem zugehörigen Zylinderkopf auf konventionelle Art mit mindestens einem Einlassventil zur Verbrennungsluftversorgung und mindestens einem Abgasventil zum Ablassen von Abgasen von der Verbrennung versehen. Ein Einlasskanal 2 führt die Einlassluft zu den Zylindern, wohingegen zwei Abgassammler 3 und 4 die Abgase von den Zylindern zu der Turbine T und nachfolgend zu dem Abgasrohr führen.
  • Ferner ist ein Übertragungskanal 5 zum Rückführen von EGR-Gasen von der Abgasseite der Zylinder zu ihrer Einlassseite angeordnet. Der Übertragungskanal 5 mündet in den Einlasskanal 2 hinter einem Ladeluftkühler 6 und vor einem Einlasskrümmer zu den Zylindern. Ein EGR-Steuerventil 7 ist in dem Übertragungskanal angeordnet, wodurch die Übertragung unterbrochen und möglicherweise zu einem gewissen Ausmaß gesteuert werden kann. Ein EGR-Kühler ist mit 8 bezeichnet.
  • Der Übertragungskanal 5 mündet in einen Bereich 9 des Einlasskanals 2, wo eine Venturianordnung 9 derart angeordnet ist, dass die Strömung von Einlassgasen, die durch den Kompressor C aufgeladen werden, derart modifiziert wird, dass ein negativer Druck bei dem Durchgang der Venturianordnung erzeugt wird. Die EGR-Gase werden in den Bereich eingeführt, wo somit ein negativer Druck vorherrscht. Durch Ausformen der Venturianordnung könnte sichergestellt werden, dass ein ausreichender negativer Druck erreicht werden kann, so dass eine geeignete Menge von EGR-Gasen übertragen werden kann. Normalerweise werden zwischen 0 und etwa 20% der Abgasmenge als EGR-Gase verwendet.
  • Weiterhin ist in dem Transferkanal ein Mischbereich 10 angeordnet, in den EGR-Gase von beiden Abgassammlern eintreten, um in einen einzigen Kanal 5 zusammengeführt zu werden.
  • In 2a wird der Bereich 10 detaillierter gezeigt, wo der Einschnürungsbereich 11 gezeigt wird, der somit eine mehr oder weniger trichterförmige Kanaleinschnürung darstellt und in dem die Gase beschleunigt werden. Der Einschnürungsbereich umfasst einen ersten 11' und einen zweiten 11'' Kanalbereich, von denen jeder mit einem der Abgassammler in dem Motor kommuniziert. Die Einlässe I1 und I2 der Kanalabschnitte sind im Schnitt im Wesentlichen halbrund und werden schrittweise in einen rechtwinkligen Querschnitt in der Richtung des stromabwärtigen Endes A des Einschnürungsbereichs umgeformt. An den Einlässen I1 und I2 können auch andere z.B. halbelliptische, Querschnitte möglich sein.
  • Zwischen den Kanalabschnitten 11' und 11'' ist eine Teilungswand 14 angeordnet, die eine Platte umfasst, die in diesem Beispiel einen stromabwärtigen Rand 15 aufweist, der mit einer scharf abgeschnittenen Kante abgeschlossen ist, um gute Strömungseigenschaften an dieser Position zu erhalten. Das Bezugszeichen 12 gibt den Übergangsbereich an, in dem das beschleunigte Gas den Abstand von dem Rand 15 zu der gegenüberliegenden Seite bei 17 überbrückt. Dies ist mit der unterbrochenen Linie bei 16 für den Fall gezeigt, dass der höchste Druck in dem Bereich 11' vorherrscht. Somit muss das Gas den unteren Abstand überbrücken, in der Figur gesehen den Rand 15 hinüber zu der Unterseite (bei 17) des Übergangsbereichs.
  • Wenn die Gase von dem Kanalbereich 11' den gesamten Querschnitt des Bereichs 10 ausfüllen, wird ein Druckanstieg durch eine Ausdehnung in dem Diffusor 13 erhalten, so dass der statische Druck im Kanal hinter dem Bereich 10 im Wesentlichen der höchste in einem der beiden Abgassammler 3 und 4 vorherrschende Druck ist.
  • 2b dient nur dazu, zu zeigen, dass ein stromabwärtiger Rand 15' mit scharfer Kante anstelle des in 2a gezeigten scharf abgeschnittenen Randes möglich ist.
  • In 3 ist diagrammartig mit einer durchgezogenen Linie der Druck in einem der Abgassammler des Dieselmotors in 1 gezeigt und mit einer Strich-Punkt-Linie der Druck in dem anderen. Wie erkennbar ist, variiert dieser Druck zwischen den Werten P1 und P2, wobei der Spitzenwert P2 in Verbindung mit einem Abgasschub auftritt, und wo P1 typischerweise etwa ¼ von P2 beträgt. Eine reine Kombination der Gase in den jeweiligen Abgassammlern würde einen Druck nahe bei 0,6 P1 ergeben. Die Erfindung macht es jedoch möglich, effektiv die Energie in den Abgasschüben auszunutzen, was dazu führt, dass ein im Wesentlichen höherer Druck erhalten wird, was durch die unterbrochene Linie angezeigt ist, d.h. es wird im Wesentlichen die gesamte Schubenergie verwendet.
  • Alternative Bauweisen des Bereichs 10 innerhalb des durch die angehängten Ansprüche definierten Schutzbereichs sind möglich. Zum Beispiel können sich die Einschnürungsbereiche in einem bestimmten Winkel zueinander erstrecken und die Platte 14 kann durch ein anderes abteilendes Element ausgetauscht werden.
  • Der Querschnitt über die Länge des Bereichs kann ebenfalls verschieden sein, und als ein Beispiel können die Teile der Einschnürungsbereiche mit Trichterabschnitten beendet werden, die gekrümmte Bereiche anstelle von geraden Bereichen aufweisen.
  • Die Erfindung wurde vor dem Hintergrund eines aufgeladenen Dieselmotors beschrieben, sie ist aber ebenfalls in anderen Verbrennungsmotoren anwendbar, wo ähnliche Probleme und Bedingungen vorherrschen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Rückführen von Abgasen (EGR) in einem Verbrennungsmotor (1) mit zwei Abgassammlern (3, 4), wobei EGR-Gase über einen EGR-Kanal (5) einem Einlasskanal (2) des Motors zugeführt werden, um zusammen mit Einlassluft dem Motor (1) zugeführt zu werden, dadurch gekennzeichnet, – dass EGR-Gase von den beiden Abgassammlern (3, 4) in einem Mischbereich (10) des EGR-Kanals (5) vermischt werden, – dass in Flussrichtung betrachtet die EGR-Gase durch einen Einschnürungsbereich (11) wo sie beschleunigt werden, durch einen Übergangsbereich (12) und einen Diffusorbereich (13) hindurchgeführt werden, wobei alle Bereiche in dem Mischbereich vorgesehen sind, – dass die EGR-Gase von einem ersten Abgassammler in einen ersten Bereich (11') des Einschnürungsbereichs geführt werden, – dass die EGR-Gase von einem zweiten Abgassammler in einen zweiten Bereich (11'') des Einschnürungsbereichs geführt werden, der bezüglich des ersten Bereichs des Einschnürungsbereichs seitlich angeordnet ist und von diesem bis zur stromaufwärts des Übergangsbereichs (12) liegenden Fläche getrennt ausgebildet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Gase zu einem Übergangsbereich mit einem länglichen, im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt geführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 und etwa 20% der Abgasmenge als EGR-Gase zurückgeführt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Gase nach dem Mischbereich (10) zu einem Pumpelement, wie beispielsweise einer Venturianordnung (9), geführt werden, das in dem Einlasskanal des Motors angeordnet ist.
  5. Vorrichtung für das Rückführen von Abgasen (EGR) in einem Verbrennungsmotor (1) mit zwei Abgassammlern (3, 4), wobei ein EGR-Kanal (5) derart angeordnet ist, dass er EGR-Gase in einen Einlasskanal (2) des Motors führt, damit diese dem Motor (1) zusammen mit der Einlassluft zugeführt werden, gekennzeichnet durch: – einen Mischbereich (10) in dem EGR-Kanal (5) zum Zusammenführen von EGR-Gasen von den beiden Abgassammlern, – wobei der Mischbereich in Strömungsrichtung betrachtet einen Einschnürungsbereich (11), einen Übergangsbereich (12) und einen Diffusorbereich (13) umfasst, – wobei die EGR-Gase von einem ersten Abgassammler in einen ersten Bereich des Einschnürungsbereichs geführt werden, – wobei die EGR-Gase von einem zweiten Abgassammler in einen zweiten Bereich (11'') des Einschnürungsbereichs geführt werden, der bezüglich des ersten Bereichs des Einschnürungsbereichs seitlich angeordnet ist und von diesem bis zur stromaufwärts liegenden Fläche des Übergangsbereichs (12) getrennt sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (12) einen länglichen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0 und etwa 20% der Abgasmenge als EGR-Gase nutzbar sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide seitlich zueinander angeordneten Bereiche des Einschnürungsbereichs (11) zumindest über einen Teil ihrer Länge mit einer Platte (14) voneinander getrennt sind, deren stromabwärts liegende Kante (15) von einer im Wesentlichen scharfen Kante oder scharf abgeschnittenen Kante abgeschlossen wird.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittabschnitt des Diffusorbereichs (13) im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des Einschnürungsbereichs (11) halbkreisförmigen oder halbelliptischen Querschnitt aufweisen.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein EGR-Steuerventil (7) aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine EGR-Venturianordnung (9) aufweist, die in dem Einlasskanal des Motors angeordnet ist.
  13. Aufgeladener Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12 aufweist.
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