DE4319380C2

DE4319380C2 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE4319380C2
Application number: DE4319380A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Landfahrer; Peter Dipl Ing Dr Bartsch; Karl Dipl Ing Wojik
Original assignee: AVL List GmbH; AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1992-06-12
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2013-06-12
Also published as: DE4319380A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ab gasturbolader, mit einem Einlaßsystem mit einer Ladeluftlei tung, mit einem Auspuffsystem sowie mit einer Rückführleitung für einen Teilstrom des Abgases, mit einer mit Ladeluft beauf schlagten Düse-Diffusoreinheit, in die auch die Rückführleitung einmündet.

Im Zuge immer stärkerer Emissionsbeschränkungen für Brenn kraftmaschinen ist es erforderlich, die NO_x-Emissionen stark abzusenken. Dies ist in bekannter Weise dadurch möglich, daß ein Teilstrom des Abgases aus dem Auspuffkrümmer in das An saugsystem rückgeführt wird, wodurch die Temperaturen im Brenn raum abgesenkt werden und die Bildung von NO_x stark verringert wird.

Bei einigen vorgeschriebenen Testzyklen ist es erforderlich, die NO_x-Emissionen, insbesonders bei hohen Lasten, abzusenken, da beispielsweise im europäischen 13-Mode Zyklus für LKW-Moto ren, ein für die Zyklusemissionen sehr wichtiger Betriebspunkt nahe dem Drehmomentmaximum des Motors liegt. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist jedoch eine Abgasrückführung in diesem Kennfeldbereich nicht ohne weiteres möglich, da durch die Tur boladercharakteristik bedingt, in diesen Betriebspunkten die mittleren Drücke im Einlaßsammler deutlich über jenen im Aus puffkrümmer liegen.

Eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einer Ladeluftleitung sowie mit einer Rückführleitung für einen Teilstrom des Abgases ist aus der EP 0 412 076 A1 bekannt.

Prinzipiell besteht nun die Möglichkeit, den Druck im Auspuff krümmer mittels einer Stauklappe zu erhöhen, um so eine Abgas rückführung zu erreichen. Durch den Abgasgegendruck wird jedoch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und damit der Kraftstoffverbrauch wesentlich verschlechtert.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, durch den Einsatz eines Rückschlagventils in der Abgasrück führleitung auch dann noch eine Abgasrückführung zu erreichen, wenn der mittlere Druck im Auspuffkrümmer bereits unter dem Druck im Saugsystem liegt. Dabei können jedoch Probleme mit dem thermisch hoch beaufschlagten Rückschlagventil auftreten, bzw. kann wegen zu großen Druckunterschieden zwischen Saugsystem und Auspuffkrümmer trotzdem keine ausreichende Abgasrückführung erreicht werden.

In der US 4 404 805 wird eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschrieben, bei der Luft aus der Ladeluftleitung über eine Bypaß-Leitung in den Abgassammler geführt wird. Die Luft in der Bypaß-Leitung wird durch Abgas, welches bereits die Abgasturbine durchströmt hat, aufgewärmt. Dadurch soll der Wir kungsgrad des Turboladers und der Ladedruck in bestimmten Be triebsbereichen des Motors verbessert werden. Die eine Saug strahlpumpe bildende Düse-Diffusoreinheit ist dabei in der Bypaß-Leitung angeordnet, mittels der Abgas der komprimierten Luft beigemischt wird. Dadurch wird der Luft einerseits Wärme energie als auch kinetische Energie zugeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß eine Abgasrück führung trotz ungünstiger Druckdifferenz zwischen Auspuff- und Saugsystem möglich ist, wobei auch thermische Probleme im Be reich der Abgasrückführung behoben werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Düse-Diffusoreinheit direkt in der Ladeluftleitung angeordnet ist, und daß durch die Düse-Diffusoreinheit bei entsprechender Auslegung ein Ausgleich der Druckdifferenzen zwischen Auspuff- und Einlaßsystem bewirkt wird, so daß durch die im Bereich einer Querschnittsverengung in die Düse-Diffusoreinheit einmün dende Rückführleitung ein Teilstrom der Abgase der verdichteten Ladeluft zugemischt und damit dem Einlaßsystem zugeführt werden kann.

Dabei wird die im Turbolader verdichtete Ansaugluft in einer Düse beschleunigt. Dadurch fällt der statische Druck stark ab, bei geeigneter Auslegung unter den Druck im Aus puffsystem. An einer Stelle mit entsprechend abgesenktem Druck wird nun das aus der Abgasrückführleitung kommende Abgas mög lichst verlustfrei zugeführt. In einem anschließenden Diffusor werden die hohen Strömungsgeschwindigkeiten wieder in Druck um gewandelt und dadurch die Verluste des Systems kleingehalten.

Um die Strömungwiderstände dieses Systems in jenen Kennfeldbe reichen, in denen keine Abgasrückführung erforderlich ist, ge ring zu halten, kann erfindungsgemäß parallel zur Düse-Diffu soreinheit eine Bypaß-Leitung mit einem Steuerventil vorgesehen sein. Da gemäß dem Venturi-Prinzip die Druckabsenkung nicht nur von der geometrischen Form der Düse und des Diffusors abhängig ist, sondern auch vom Massendurchsatz durch das System, kann durch das Steuerventil in der Bypaß-Leitung auch eine Regelung der Abgasrückführmenge erreicht werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist in Strömungsrichtung vor der Düse-Diffusoreinheit ein Ladeluftkühler vorgesehen.

Diese Düse-Diffusoreinheit kann erfindungsgemäß auch mit einem Rückschlagventil und/oder mit einem Abgaskühler in der Rück führleitung kombiniert werden.

Erfindungsgemäße Ausführungsvarianten der Düse-Diffusoreinheit werden im Rahmen der nachfolgenden Figurenbeschreibung darge legt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit einer Düse-Diffusoreinheit und die

Fig. 2 bis 6 Ausführungsvarianten der Düse-Diffusor einheit.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmschine 1 mit einem Einlaßsammler 2 und einem Auslaßsammler 3 dargestellt. Ein Ab gasturbolader 4 weist einen Verdichter 5 und eine Abgastur bine 6 auf, welche über eine Welle 7 miteinander verbunden sind. Die vom Verdichter 5 komprimierte Ansaugluft gelangt über eine Ladeluftleitung 8 in den Ladeluftkühler 9 und weiter über eine Ladeluftleitung 10 in den Einlaßsammler 2. Das Abgas wird aus dem Auslaßsammler 3 über eine Leitung 11 zur Ab gasturbine 6 geleitet. In dieser Leitung 11 ist eine Anschluß stelle 13 vorgesehen, in der die Rückführleitung 14 abzweigt. In dieser Rückführleitung 14 kann ein Abgasrückführsteuerven til 17, ein Kühler 18 und daran anschließend auch ein Rück schlagventil vorgesehen sein. In einer einfachen Ausführungs variante können die mit Bezugszeichen 16 bis 18 bezeichneten Bauteile jedoch auch entfallen.

Die Rückführleitung 14 mündet im Bereich einer Querschnitts verengung 19 in eine Düse-Diffusoreinheit 20, welche in der Ladeluftleitung 10 zwischen Ladeluftkühler 9 und Einlaßsamm ler 2 angeordnet ist. Zur Steuerung des Massendurchsatzes durch die Düse-Diffusoreinheit 20 ist parallel dazu eine von der Ladeluftleitung 10 abzweigende, in den Einlaßsammler 2 mündende Bypaß-Leitung 21 vorgesehen, welche ein Steuerven til 22 aufnimmt.

Die Düse-Diffusoreinheit 20 besteht im wesentlichen aus einer konischen Düse 23 und einem konischen Diffusor 24, wobei deren Abmessungen und deren Gestaltung eine besondere Bedeutung, insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Strömungsablösun gen im Diffusor zukommt.

So kann in einer Variante gemäß Fig. 2 der Diffusor 24 unmit telbar an die konische Düse 23 anschließen. Die Abgaszuführung wird vorzugsweise nahe dem engsten Querschnitt in der Düse- Diffusoreinheit 20 durchgeführt. Zur Stabilisierung der Strö mung ist es allerdings auch möglich, das Abgas an einem aus reichend kleinen Durchmesser stromaufwärts des engsten Quer schnittes der Düse 23 zuzuführen (Fig. 3).

In einer anderen Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 kann zwi schen Düse 23 und Diffusor 24 auch ein Rohrstück 25 mit kon stantem Durchmesser angeordnet sein. Die Gestaltung der Abgas zuführung hat nach strömungstechnischen Gesichtspunkten zu er folgen. Dabei ist unbedingt eine Strömungsablösung im Diffusor zu vermeiden. Günstig erscheint eine zentrische Zuführung der Abgase gemäß Fig. 2, 3 oder 4.

Eine weitere in Fig. 5 dargestellte Ausführung ist durch eine außenliegende, ringförmige Anformung 26 gekennzeichnet, über welche die Zuführung der Abgase erfolgt.

Eine einfachere, wenn auch strömungstechnisch etwas ungünsti gere Anordnung, ist eine seitliche Zuführung der Abgase gemäß Fig. 6.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (4), mit einem Einlaßsystem mit einer Ladeluftleitung (10), mit einem Auspuffsystem sowie mit einer Rückführleitung (14) für einen Teilstrom des Abgases, mit einer mit Ladeluft beaufschlagten Düse-Diffusoreinheit (20), in die auch die Rückführleitung (14) einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse-Diffusoreinheit (20) direkt in der Ladeluft leitung (10) angeordnet ist, und daß durch die Düse-Diffu soreinheit (20) bei entsprechender Auslegung ein Ausgleich der Druckdifferenzen zwischen Auspuff- und Einlaßsystem bewirkt wird, so daß durch die im Bereich einer Quer schnittsverengung (19) in die Düse-Diffusoreinheit (20) einmündende Rückführleitung (14) ein Teilstrom der Abgase der verdichteten Ladeluft zugemischt und damit dem Einlaß system zugeführt werden kann.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß parallel zur Düse-Diffusoreinheit (20) eine By paß-Leitung (21) mit einem Steuerventil (22) vorgesehen ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Ladeluftkühler (9) vorgesehen ist, wel cher in Strömungsrichtung vor der Düse-Diffusorein heit (20) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (14) ein Abgaskühler (18) und/oder ein Rückschlagventil (16) ange ordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Düse-Diffusoreinheit (20) eine konische Düse (23) mit unmittelbar daran anschließen dem konischen Diffusor (24) aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß zwischen einer konischen Düse (23) und einem konischen Diffusor (24) der Düse-Dif fusoreinheit (20) ein Rohrstück (25) mit konstantem Durch messer angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rückführleitung (14) auf Höhe des eng sten Querschnittes der Düse-Diffusoreinheit (20) in diese einmündet.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rückführleitung (14) in Strömungsrich tung knapp vor dem engsten Querschnitt der Düse-Diffu soreinheit (20) einmündet.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) zentral er folgt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) seitlich er folgt.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Einmündung der Rückführlei tung (14) in die Düse-Diffusoreinheit (20) über eine ring förmige Anformung (26) erfolgt.