DE19716566C1 - Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer Ladereinrichtung zum Verdichten des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases, insbesondere einem Abgasturbolader, mit einer einen Teil des Abgases von der Abgasleitung zur Einlaßleitung der Brennkraftmaschine rückführenden Abgasrückleitung und mit einer in der Einlaßleitung vorgesehenen Wärmetauscheranordnung zur Kühlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gasstroms, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Zur Erhöhung der Leistung und zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, werden zunehmend Abgasturbolader eingesetzt, die eine vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine und einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter zum Komprimieren des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases enthalten. Vorzugsweise ist in der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine eine Wärmetauscheranordnung als Ladeluftkühler vorgesehen, die dazu dient, den von der Turbine des Abgasturboladers abgegebenen Gasstrom vor Zuführung zur Brennkraftmaschine zu kühlen und dabei auch dessen Massendichte zu erhöhen. Weiterhin hat sich zur Verminderung der Emissionen an Stickoxiden bei Dieselmotoren die Rückführung eines Teils des Abgases von der Abgasleitung zur Einlaßleitung als wirksame Maßnahme erwiesen.

Bei einer Abgasrückführung zu einem Punkt in der Einlaßleitung stromaufwärts des Verdichters (Niederdruck-Abgasrückführung) besteht ein Nachteil darin, daß das zurückgeführte Abgas über den Verdichter und den Ladeluftkühler fließt und diese Bauteile verschmutzt. Bei dieser Art von Abgasrückführung sind keine großen Wartungsintervalle über den Motorbetrieb erzielbar. Bei einer Abgasrückführung, bei der ein Teil des Abgases zu einem Punkt in der Einlaßleitung stromabwärts des Verdichters zurückgeführt wird (Hochdruck-Abgasrückführung) sind bisher zwei Arten bekannt, Wärmetauscher zur Verminderung der Temperatur des Gasstroms in der Einlaßleitung vorzusehen. Nach der ersten Möglichkeit ist ein Wärmetauscher als Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters des Turboladers vor der Einmündung der Abgasrückführung in die Einlaßleitung angeordnet und zusätzlich ein Wärmetauscher in der Abgasrückleitung vor deren Einmündung in die Einlaßleitung zur Kühlung des rückgeführten Abgases vorgesehen. Der Nachteil hiervon ist es, daß der Wärmetauscher in der Abgasrückleitung thermisch sehr hoch beansprucht wird. Nach der anderen Möglichkeit ist ein gemeinsamer Wärmetauscher nach der Zusammenführung von verdichtetem Frischgas und rückgeführtem Abgas in der Einlaßleitung vorgesehen. Dies erfordert eine hohe Leistung des Wärmetauschers, welche nur mit einer fein aufgebauten Wärmetauschermatrix erreicht werden kann. Daraus resultiert der Nachteil einer hohen Anfälligkeit für Verschmutzung, und die damit auch einen hohen Wartungsaufwand erfordert.

Wärmetauscheranordnungen der vorgenannten Art für aufgeladene Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung sind aus der EP 0 596 855 A1 bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung eine verbesserte Ladeluftkühlung zu erreichen, welche langlebig ist und wenig Wartung erfordert.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine der im Anspruch 1 angegebenen Art gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine enthält eine Ladereinrichtung zum Verdichten des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases mit einem in der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichterteil. Von der Abgasleitung zweigt eine Abgasrückleitung zur Rückführung eines Teils des Abgases ab, welche stromabwärts des Verdichterteils in die Einlaßleitung mündet. In der Einlaßleitung ist eine Wärmetauscheranordnung zur Kühlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gasstroms vorgesehen. Diese Wärmetauscheranordnung enthält einen ersten Wärmetauscher, der zwischen dem Verdichterteil und der Einmündung der Abgasrückleitung in die Einlaßleitung angeordnet ist, und einen zweiten Wärmetauscher, der zwischen der Einmündung der Abgasrückleitung und der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Ein erster Vorteil der Erfindung ist es, daß eine gute Kühlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases erreicht wird. Da die Kühlung des Gasstroms in zwei Stufen erfolgt und der stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführung in die Einlaßleitung angeordnete Wärmetauscher die zur Kühlung des rückgeführten Abgasstroms erforderliche Kühlleistung nur auf einem niedrigen Temperaturniveau zu erbringen hat, wird keiner der Wärmetauscher thermisch hoch belastet. Die geringe erforderliche Kühlleistung des der Einmündung der Abgasrückführung nachgeschalteten Wärmetauschers gestauet die Verwendung einer groben Wärmetauschermatrix und bringt damit eine geringe Anfälligkeit für Verschmutzung mit sich.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß eine stromaufwärts der Einmündung der Abgasrückleitung in die Einlaßleitung abzweigende und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers in die Einlaßleitung einmündende Bypassleitung vorgesehen ist, über die ein Teil des Frischgases an dem zweiten Wärmetauscher vorbeigeführt wird. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der der Einmündung der Abgasrückführung in die Einlaßleitung nachgeschaltete Wärmetauscher mit erhöhter Temperatur betrieben werden kann und damit ein besserer Austauschwirkungsgrad am Wärmetauscher erzielbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Ladereinrichtung eine vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetriebene Ladereinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader mit einem in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Turbinenteil ist, wobei die zur Einlaßleitung führende Abgasrückleitung stromaufwärts des Turbinenteils von der Abgasleitung abzweigt.

Die Ladereinrichtung kann auch ein durch Maschinenkraft angetriebener Kompressor sein.

Vorteilhafterweise kann der zweite Wärmetauscher oder auch beide Wärmetauscher eine grobe Wärmetauschermatrix enthalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, Ladeluftkühlung und Abgasrückführung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, Ladeluftkühlung und Abgasrückführung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 bedeutet Bezugszeichen 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Anzahl von Zylindern, deren Einlaßseite über eine Einlaßleitung 8 Frischgas zugeführt wird. Von der Auslaßseite der Zylinder der Brennkraftmaschine 1 wird über eine Abgasleitung 7 Abgas abgeführt. Ein Abgasturbolader, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, enthält eine in der Abgasleitung 7 der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine 3 und einen in der Einlaßleitung 8 der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter 4, welche mechanisch miteinander gekoppelt sind, um die mittels der Turbine 3 aus dem Abgasstrom gewonnene Energie auf den Verdichter 4 zur Kompression des Frischgases zu übertragen.

Die in der Figur dargestellte zweiteilige Art des Abgasturboladers 2 mit getrennter Turbine und Verdichter ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung, die Erfindung ist jedoch gleichermaßen anwendbar bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die Aufladung in einer Ladereinrichtung erfolgt, bei der der Turbinenteil und der Verdichterteil in einem einzigen Rotor zusammengefaßt sind ("COMPREX"-Verdichter), oder bei einer Brennkraftmaschine, die durch einen Kompressor aufgeladen wird.

Stromaufwärts der Turbine 3 zweigt von der Abgasleitung 7 eine Abgasrückleitung 9 ab, die der Rückführung eines Teils des Abgases zur Einlaßleitung 8 dient und an einem Punkt stromabwärts des Verdichters 4 in diese einmündet. In der Einlaßleitung 8 ist eine Wärmetauscheranordnung vorgesehen, die zur Kühlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gasstroms dient. Diese Wärmetauscheranordnung enthält einen ersten Wärmetauscher 5, der zwischen dem Verdichter 4 und der Einmündung 10 der Abgasrückleitung in die Einlaßleitung 8 angeordnet ist, und einen zweiten Wärmetauscher 6, der zwischen der Einmündung 10 der Abgasrückleitung 9 und der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Der stromaufwärts der Einmündung 10 der Abgasrückleitung 9 vorgesehene erste Wärmetauscher 5 dient dazu, die durch das Aufladen des Frischgasstroms erhöhte Temperatur wieder auf ein niedriges Niveau zurückzuführen. Der zweite Wärmetauscher 6, welch er der Einmündung 10 der Abgasrückleitung 9 nachgeschaltet ist, erbringt die zur Abführung der Wärme des über die Abgasrückleitung 9 rückgeführten Abgasstroms erforderliche Kühlleistung, so daß der der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Gasstrom eine niedrige Temperatur und auch eine hohe Massendichte hat. Durch die Hintereinanderschaltung der beiden Wärmetauscher 5 und 6 in der Einlaßleitung 8 erfolgt somit ein zweistufiges Tauschen von Wärme auf jeweils verhältnismäßig geringem Temperaturniveau, so daß beide Wärmetauscher thermisch nur gering belastet werden. Für jeden der Wärmetauscher ist damit eine grobe Wärmetauschermatrix ausreichend, welche gegen Verschmutzung wenig anfällig ist, was insbesondere für den der Einmündung 10 des Abgasstroms nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher 6 gilt.

Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist hinsichtlich der Anordnung des Abgasturboladers 2, des ersten Wärmetauschers 5 und des zweiten Wärmetauschers 6, sowie der Abgasrückleitung 9 zur Rückführung eines Teils des Abgasstroms von der Abgasleitung 7 zur Einlaßleitung 8 mit dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmend aufgebaut. Zusätzlich ist aber eine Bypassleitung 11 vorgesehen, die stromaufwärts der Einmündung 10 der Abgasrückleitung 9 von der Einlaßleitung 8 abzweigt und unter Umgehung des zweiten Wärmetauschers 6 stromabwärts desselben wieder in die Einlaßleitung 8 einmündet, so daß ein Teil des den ersten Wärmetauscher 5 verlassenden komprimierten und gekühlten Frischgases an dem zweiten Wärmetauscher 6 vorbei und damit direkt der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Durch das Vorbeiführen eines Teils des von dem ersten Wärmetauscher 5 abgebenen gekühlten Frischgases an dem zweiten Wärmetauscher 6 vorbei verschiebt sich am Eingang des zweiten Wärmetauschers 6 das Verhältnis von gekühltem Frischgas und des über die Abgasrückleitung 9 zugeführten heißen Abgases zugunsten des letzteren, so daß die Temperatur des den zweiten Wärmetauscher 6 zugeführten Gasstroms höher ist. Hierdurch kann der zweite Wärmetauscher 6 auf einem höheren Temperaturniveau betrieben und damit ein besserer Austauschwirkungsgrad an diesem Wärmetauscher erreicht werden. Querschnitt und Strömungswiderstand der Bypassleitung 11 sind jedoch so bemessen, daß der über die Bypassleitung 11 an dem zweiten Wärmetauscher 6 vorbeigeführte Gasstrom nicht so groß wird, daß die Temperatur im zweiten Wärmetauscher 6 zu sehr ansteigt und damit der durch den zweistufigen Wärmetausch erreichte Vorteil wieder zunichte gemacht wird.

Durch die bei der Erfindung betriebene zweistufige Wärmetauscheranordnung hat jeder der Wärmetauscher 5, 6 seine Kühlleistung auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau zu erbringen, so daß die Wärmetauscher aus einem Material hergestellt werden können, an das hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden und damit kostengünstig ist.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine mit einer Ladereinrichtung (2) zum Verdichten dem der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases, die einen in der Einlaßleitung (8) der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichterteil (4) enthält, und mit einer von der Abgasleitung (7) abzweigenden und stromabwärts des Verdichterteils (4) in die Einlaßleitung (8) einmündenden Abgasrückleitung (9) zur Rückführung eines Teils des Abgases von der Abgasleitung (7) in die Einlaßleitung (8), sowie mit einer in der Einlaßleitung (8) vorgesehenen Wärmetauscheranordnung zur Kühlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranordnung einen ersten Wärmetauscher (5), der zwischen dem Verdichterteil (4) und der Einmündung (10) der Abgasrückleitung (9) in der Einlaßleitung (8) angeordnet ist, und einen zweiten Wärmetauscher (6), der zwischen der Einmündung (10) der Abgasrückleitung (9) und der Brennkraftmaschine angeordnet ist, enthält.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine stromaufwärts der Einmündung (10) der Abgasrückleitung (9) in die Einlaßleitung (8) abzweigende und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (6) in die Einlaßleitung (8) einmündende Bypassleitung (11) vorgesehen ist, über die ein Teil des den ersten Wärmetauscher (5) verlassenden Frischgases an dem zweiten Wärmetauscher (6) vorbeigeführt wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladereinrichtung (2) eine vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetriebene Ladereinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader mit einem in der Abgasleitung (7) der Brennkraftmaschine angeordneten Turbinenteil (3) ist, wobei die zur Einlaßleitung (8) führende Abgasrückleitung (9) stromaufwärts des Turbinenteils (3) von der Abgasleitung (7) abzweigt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladereinrichtung (2) ein durch Maschinenkraft angetriebener Kompressor ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zweite Wärmetauscher (6) eine grobe Wärmetauschermatrix enthält.