DE9421145U1 - Dieselbrennkraftmaschine mit in einer Abgasrückführleitung angeordnetem Wärmetauscher für die Abgaskühlung - Google Patents

Description

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNTON
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen, den 14.03.95

Dieselbrennkraftmaschine mit in einer Abgasrückführleitung angeordnetem Wärmetauscher für die Abgaskühlung

Zur Verringerung der Schadstoffemission im Abgas von aufgeladenen Dieselbrennkraftmaschinen ist es bekannt, eine Abgasrückführung vorzusehen. Wegen der mit der Abgasrückführung verbundenen Temperaturerhöhung in den Zylindern der Brennkraftmaschine werden die rückgeführten Abgase zumindest in hohen Lastbereichen gekühlt.

Zur Kühlung der rückgeführten Abgase ist bei einer Dieselbrennkraftmaschine nach der DE 40 07 516 Al in der Abgasrückführleitung ein Wärmetauscher angeordnet. Vor dem Eintritt in die Abgasrückführleitung werden die aus den Zylindern abströmenden und in einer Abgasturbine entspannten Abgase einem Oxidationskatalysator zugeführt, wo die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide oxidiert werden. Das solchermaßen von Kohlenwasserstoffen befreite Abgas wird sodann in einem dem Oxidationskatalysator nachgeordneten Partikelfilter von den Rußpartikein befreit. Von diesem so gereinigten Abgas wird dann der Teil entnommen, der über die Abgasrückführleitung der Ansaugluft zugemischt wird. Das mit hohem Aufwand gereinigte Abgas verschmutzt weder Wärmetauscher noch die an der Abgasrückführung beteiligten Leitungen. Allerdings sind, da das gesamte von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas der Brennkraftmaschine gereinigt wird, ein großvolumiger Oxidationskatalysator und ein großvolumiger Partikelfilter erforderlich.

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Werden die Abgase einer Dieselbrennkraftmaschine nicht gereinigt, so haften, wie in der DE-OS 27 25 045 beschrieben, auf den abgasführenden Wandteilen eines Wärmetauschers für die Abgaskühlung Rußpartikel an, die allmählich die Funktionsfähigkeit des Wärmetauschers verschlechtern. Deshalb ist von Zeit zu Zeit eine Reinigung der betreffenden Wandflächen notwendig, die aufwendig ist. Für das Entstehen der Rußschicht sind auf den Wandungen des Wärmetauschers auskondensierende Kohlenwasserstoffe verantwortlich, die kleben. Auch die Rußpartikel selbst sind aufgrund der angelagerten Kohlenwasserstoffe klebrig,

Im Zusammenhang mit der Reinigung von Wärmetauschern ist es aus der DE 38 34 499 C2 auch schon bekannt geworden, die Reinigung durch Abbrennen der angelagerten Rußschicht vorzunehmen. Damit die Oxidation bei möglichst niedrigen Temperaturen in Gang kommt, sind die abgasführenden Wandteile des Wärmetauschers katalytisch beschichtet.

Aus der DE 40 37 913 Al geht es als bekannt hervor, dem Abgas in einer Abgasrückführleitung Ansaugluft zuzumischen, um dadurch die Menge an rückgeführtem Abgas zu steuern. Wird wenig Ansaugluft zugemischt, äst die zurückgeführte Abgasmenge hoch, wird viel Ansaugluft zugemischt, ist die Abgasmenge niedrig. 20

Bei einer in der DE 40 20 357 Al dargestellten Abgasanlage wird zur Erniedrigung der Temperatur von in einer Abgasleitung strömendem Abgas mit einer ejektorartigen Mischeinrichtung kühle Umgebungsluft zugemischt.

Der im Schutzanspruch 1 oder 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Funktionsfähigkeit eines Wärmetauscher in einer Abgasrückführleitung mit geringem Aufwand aufrechtzuerhalten.

Dieses Problem wird durch die im Schutzanspruch 1 oder 2 aufgeführten Merkmale gelöst.

Zur Oxidationskatalyse von Kohlenwasserstoffen wird in der Abgasrückführleitung in Strömungsrichtung vor einem Wärmetauscher ein Oxidationskatalysator angeordnet, der die unverbrannten gasförmigen und die an Rußpartikel angelagerten Kohlenwasserstoffe oxidiert. Durch die Oxidation werden die Rußpartikel, die im rückgeführten Abgas enthalten sind, getrocknet. Das heißt, die Rußpartikel verlieren ihre Klebrigkeit. Dadurch wird aber eine Anlagerung der Rußpartikel an den Wandflächen des Wärmetauschers vermieden. Zugleich wird durch die Oxidation der gasförmigen Kohlenwasserstoffe das

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Entstehen eines klebrigen Überzugs auf den Wänden des Wärmetauschers vermieden. Die Funklionsfähigkeit des Wärmetauschers kann dadurch ohne Reinigungsmaßnahmen in vollem Maße aufrechterhalten werden. Die Anordnung des Oxidationskatalysators in der Abgasrückführleilung ermöglicht die Verwendung eines im Bauvolumen kleinen Katalysators, der sich mit geringem Aufwand bei geringen Kosten installieren läßt. Die Reitierhaltung des Wärmetauschers ist nicht von der Behandlung des übrigen, nicht für die Abgasrückführung verwendeten Abgases abhängig. Die Verwendung eines Partikelfilters kann natürlich das Bauvolumen des Oxidationskatalysators beeinflussen, da schließlich im Partikel filter zurückgehaltene Rußpartikel den Oxidationskatalysator nicht mehr belasten. Nach Anspruch 2 ist in der Abgasrückführleitung anstelle des Oxidationskataiysators ein Wärmetauscher angeordnet, der mit einer Beschichtung zur Oxidatäonkatalyse von Kohlenwasserstoffen versehen ist. Die Beschichtung wirkt ebenso wie ein separater, dem Wärmetauscher vorgeschalteter Oxidationskatalysator. Durch Oxidation der an den Rußpartikel angelagerten und der gasförmigen Kohlenwasserstoffe an den katalytisch beschichteten Wandflächen werden die Rußpartikel getrocknet bzw. ein Niederschlag einer

klebrigen Schicht durch Auskondensieren von Kohlenwasserstoffen verhindert. Es wird verhindert, daß sich eine Rußschicht auf den abgasführenden Wandteilen des Wärmetauschers bilden kann. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß der im Wärmetauscher integrierte Oxidationskatalysator auch bei höchsten Abgastemperaturen nicht mehr überhitzen kann. Wenn aufgrund dauernd zu niedriger Abgastemperaturen die Katalyse nicht oder unzureichend in Gang kommt und sich deshalb eine Rußschicht einstellt, so kann nach Anspruch 3 die Kühlmittelzufuhr abgestellt werden, was eine Erhitzung der Wandflächen bewirkt mit Abbrennen der Rußschicht. Zweckmäßigerweise wird nach Anspaich 4 als Katalysatormaterial Platin, Rhodium oder Palladium verwendet. __ In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird in den Ansprüchen 5 bis 9 eine Einrichtung aufgezeigt, mit der die Temperatur des Abgases vor dem Eintritt in den Katalysator bzw. den mit einer Beschichtung versehenen Wärmetauscher durch Zumischen von Frischluft gesenkt werden kann. Das Zumischen von Frischluft, vorzugsweise mittels einer Strahlpumpe, hat den Vorteil, daß im Falle eines separaten, dem Wärmetauscher vorgeschalteten Oxidationskatalysators ein Katalysatortyp verwendet werden kann, der

insbesondere bei tiefen Abgastemperaturen eine hohe Wirksamkeit aufweist. Denn bei Teillast, wenn hohe Abgasmengen zurückgeführt werden und die Abgastemperatur niedrig ist, ist die Gefahr von Ablagerungen auf dem Wärmetauscher besonders groß, und deshalb die Verwendung eines auf diesen Temperaturbereich abgestimmten Katalysators nützlich.

Ein solcher bei niedrigen Temperaturen wirksamer Katalysator hat aber den Nachteil, daß 35

bei hohen Temperaturen, die bei hoher Last auftreten, Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid

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oxidiert, welches nach Abkühlung im Wärmetauscher als »Schwefelsäure auskondensiert. Die Schwefelsäure führt aber zu Korrossionsschäden im Wärmetauscher und den daran anschließenden Bauteilen. Im Katalysator führen hohe Temperaturen zudem zur vorzeitigen Alterung des Katalysators, was natürlich auch unerwünscht ist. Das Zumischen von Frischluft bei hoher Motorlast ermöglicht durch Temperaturabsenkung des rückgeführten Abgases die Verwendung des vorteilhaften Niedertemperatur-Katalysatortyps. Im Falle des Wärmetauschers nach Anspruch 2, der mit einer Schicht zur Oxidationskatalyse versehen ist, ist zwar eine Überhitzung ausgeschlossen. Jedoch könnte die Zumischung von Frischluft zum rückgeführten Abgas jedenfalls die im Wärmetauscher abzuführende Wärmemenge verringern, was hinsichtlich der Belastung des damit verbundenen Kühlkreislaufs und des Bauvolumens des Wärmetauschers von Vorteil ist. Gemäß Anspruch 10 ist zum Katalysator eine Umgehungsleitung vorgesehen, über die als Alternative zur Strahlpumpe bei hoher Last das Abgas um den Katalysator herumgeführt wird, um so die vorgehend beschriebenen Nachteile bei hohen Temperaturen zu vermeiden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 Eine schematische Darstellung der mit den Zylindern einer

Brennkraftmaschine verbundenen Leitungen der Ansaug- und Abgasanlage, wobei das rückgeführte Abgas einem besonderen Spenderzylinder entnommen wird;

Figur 2 Eine Figur 1 entsprechende Darstellung mit dem Unterschied, daß das

rückgeführte Abgas aus einer Abgasleitung hinter der Turbine entnommen wird, in der das Abgas aller Zylinder zusammengeführt ist; 30

Figur 3 Eine Figur 2 entsprechende Anordnung, mit dem Unterschied, daß in der

Abgasrückführleitung ein Wärmetauscher mit katalytisch beschichteten Wandflächen anstatt eines separaten Oxidationskatalysators angeordnet ist;

Figur 4 Eine im Querschnitt dargestellte Mischeinrichtung für die Zumischung von

Umgebungsluft zum Abgas, die als Strahlpumpe ausgeführt ist;

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Figur 5 Eine Figur 4 entsprechende Strahlpumpe, in einer Stelking eines

Mischrohrs, in der keine Zumischung von Umgebungsluft erfolgt.

Bei der in Figur ! schematisch durch Zylinder 2, 3 dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird den Zylindern 2, 3 über Ansaugleitungen 13 und 14 Luft zugeführt, die in einem Verdichter 15 eines Abgasturboladers verdichtet und in einem Ladeluftkühler 16 gekühlt wird. Das Abgas der Zylinder 2 strömt über eine Abgasleitung 4, in der ein Partikelfilter und eine Abgasturbine 7 angeordnet ist, in die Umgebung aus. Der Zylinder 3 dient zur Erzeugung des Abgases, das über eine Abgasrückführleitung 8 in die Ansaugleitung 14 zurückgeführt wird. Der Zylinder 3 kann anders als die Zylinder 2 Abgas liefern, das aufgrund seiner Zusammensetzung sich besonders für die Abgasrückführung eignet. Der Zylinder 3 kann beispielsweise mit einem anderen Kraftstoff als die Zylinder 2 betrieben werden. In der Abgasrückführleitung 8 kann ein Partikelfilter 6 angeordnet sein. Im weiteren ist in der Abgasrückführleitung eine Mischeinrichtung 9 zur Zuführung von 5 Umgebungsluft, ein Katalysator 10 zur Oxidationskatalyse von Kohlenwasserstoffen, sowie ein Wärmetauscher 11 zur Abgaskühlung angeordnet. Zum Katalysator 10 kann eine strichpunktiert gezeichnete Umgehungsleitung 24 vorgesehen sein.

Bei der Brennkraftmaschine nach Figur 2 wird das rückgeführte Abgas aus einer allen Zylinder gemeinsamen Abgasleitung 4 hinter der Abgasturbine 7 entnommen. Zur Regelung der rückgeführten Abgasmenge ist eine Drossel 17 vorgesehen, mit der der Querschnitt der Abgasleitung 4 nach Bedarf verändert wird.

Im Unterschied zur Brennkraftmaschine nach Figur 2 ist bei der Brennkraftmaschine nach Figur 3 an Stelle eines Wärmetauschers 11 ein Wärmetauscher 1 la angeordnet, dessen abgasführende Wandteile mit einer Beschichtung zur Oxidationskatalyse von Kohlenwasserstoffen ausgestattet ist. Die Regelung der rückgeführten Abgasmenge erfolgt durch eine Pumpe 18, die in der Abgasrückführleitung 8 angeordnet ist. Die Regelung der rückgeführten Abgasmenge könnte aber auch gemäß Figur 2 mittels einer Drossel 17 erfolgen, die in der Abgasleitung 4 angeordnet ist. In Verbindung mit dem Wärmetauscher 1 la ist ein Stellglied 21 vorgesehen, durch das die Kühlmittelzufuhr zum Wärmetauscher 1 la absetzbar ist. Ferner ist eine strichpunktiert dargestellte Leitung 22 vorgesehen, über die das Abgas aus der Abgasrückführleitung 8 in die Abgasleitung 4 zurückgeführt wird, wenn eine Abgasklappe 23 die Abgasrückführleitung 8 sperrt. 35

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Durch den Katalysator IO bzw. die katalytische Beschichtung des Wärmetauscher 1 la in der Abgasrückiuhrleitung 8 werden die an den Rußpartikeln angelagerten und gasförmigen Kohlenwasserstoffe oxidiert. Durch die Oxidation der Kohlenwasserstoffe sind die Rußpartikel nicht mehr klebrig, sondern Stäuben vergleichbar, die an den Wandungen der Abgasrückführleitung 8 und im Wärmetauscher 11 bzw. 1 la nicht anhaften. Durch Oxidation der gasförmigen Kohlenwasserstoffe bildet sich auf den Wärmetauscherflächen keine klebrige Schicht, an der die Rußpartikel hängen bleiben. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Wirkung des Wärmetauschers 11 bzw. 1 la durch Verschmutzung nachläßt. Eine aufwendige Reinigung des Wärmetauschers entfällt. Entsprechend der rückgeführten Abgasmenge, die gegenüber der gesamten Abgasmenge klein ist, kann ein im Bauvolumen kleiner Katalysator 10 bzw. ein Wärmetauscher 1 la mit entsprechend kleinen beschichteten Wandflächen für die Oxidationskatalyse der Kohlenwasserstoffe verwendet werden.

Bei der Ausführung nach Figur 3 mit im Wärmetauscher 1 la integriertem Katalysator ist von besonderem Vorteil, daß selbst bei höchsten Abgastemperaturen keine Überhitzung und damit keine Zerstörung der katalytischer) Schicht erfolgt. Allerdings kann es vorkommen, daß die katalytische Schicht aufgrund zu niedriger Temperaturen nicht immer ausreichend wirksam ist, so daß sich bei andauernden Niedrigtemperaturzuständen ein verschmutzender Niederschlag auf den Wandungen des Wärmetauschers 1 la bilden kann. Zur Katalyse der Kohlenwasserstoffe werden Temperaturen oberhalb 400° C benötigt. Es ist deshalb vorgesehen, daß die Kühlmittelzufuhr zum Wärmetauscher 1 la durch das Stellglied 21 abstellbar ist, wenn ein kritischer Verschmutzungszustand erreicht ist. Der Wärmetauscher 1 la nimmt dann schnell ein Temperaturniveau an, bei dem die Verbrennung des Rußbelags einsetzt. Während des Abbrennens wird das zum Wärmetauscher 1 la geführte Abgas nicht zum Motor zurückgeführt, sondern über die Leitung 22 direkt in die Abgasleitung 4 geleitet. Die Abgasklappe 23 sperrt solange die Abgasrückführleitung 8.

Bei Verwendung von Partikeifiltern 5, 6, die bekanntlich die im Abgas enthaltenen Rußpartikel zurückhalten, kann das Bauvolumen des Katalysators 10 bzw. die Katatysatorfläche im Wärmetauscher 11 a entsprechend verringert werden, weil dann natürlich entsprechend weniger Rußpartikel in die Abgasrückführleitung 8 bzw. in den Katalysator 10 eintreten. Grundsätzlich wird aber auch ohne Partikelfilter eine ■ Verschmutzung der Abgasrückführleitung und dort angeordneter Wärmetauscher durch die beschriebene Anordnung vermieden.

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Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Strahlpumpe dient als Mischeinrichtung 9, mit der zur Abgaskühlung dem rückgeführten Abgas Luft aus der Umgebung zumischbar ist. Zum Zumischen von Umgebungsluft ist die Strahlpumpe mit einem Mischrohr 19 ausgebildet. In der Stellung nach Figur 2 saugt der aus der unterbrochenen Abgasrückführleitung 8 wie aus einer Düse austretende Abgasstrahl über einen Ringspalt zwischen Düse und Mischrohr aus der Umgebung Luft (durch Pfeile angedeutet) in das Mischrohr 19 ein, die sich im Mischrohr mit dem Abgas vermischt. Die Menge der angesaugten Luft hängt ab von der Größe des Ringspalts bzw. von der axialen Lage des Mischrohrs 19, das in der Fortsetzung der Abgasrückführleitung 8 axial verschieblich geführt ist. Bei der in Eigur 5 gezeichneten Stellung des Mischrohrs wird keine Umgebungsluft angesaugt. Das Mischrohr 19 liegt bei geschlossenem Ringspalt mit seinem Innendurchmesser an einem Kragen 20 an, der mit der Abgasrückführleitung 8 verbunden ist.

Bei Kühlung der Abgase durch Zumischung von Luft kann ein Katalysatortyp zum Einsätz kommen, der insbesondere bei tiefen Abgastemperaturen eine hohe Wirksamkeit aufweist. Im Teillastgebiet des Motors, wenn niedrige Abgastemperaturen herrschen, ist eine hohe Abgasrückführrate erwünscht und die Gefahr von Ablagerungen auf dem Wärmetauscher besonders groß, weil die Abgase bei Teillast besonders viele organische Verbindungen (Kohlenwasserstoffe) enthalten. Die bei den entsprechenden niedrigen Temperaturen besonders wirksamen Katalysatoren haben aber den Nachteil, daß bei hohen Temperaturen, also hohen Motorlasten Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid oxidiert, welches dann nach Abkühlung im Wärmetauscher als Schwefelsäure auskondensiert und im Wärmetauscher oder den nachfolgenden Anlageteilen zu Korrossionsschäden führen kann. Hohe Temperaturen im Katalysator werden durch Zumischen der Frischluft in den entsprechenden Lastbereichen vermieden. Dies hat auch den Vorteil, daß die vorzeitige Alterung des Katalysators vermieden wird, die bei Überhitzung auftritt. Die Stellung des Mischrohrs und damit die zugemischte Frischluftmenge kann durch Messung der Abgastemperatur am Katalysatoreintritt geregelt werden. Um eine Vergleichmäßigung der Abgastemperatur nach Zugabe der Frischluft zu erreichen, muß eine ausreichende Vermischung des Abgases mit der Frischluft gewährleistet sein. Dies kann durch ein langes Mischrohr erreicht werden. Eventuell kann ein zusätzliches Mischelement zwischen Strahlpumpe und Katalysator angeordnet werden oder im Eintrittsraum des Katalysators wird eine Verwirbelung durch nicht axiale Einströmung erzeugt. Zur Verringerung des in der Strahlpumpe auftretenden Druckverlustes kann das Mischrohr als Diffusor ausgeführt werden.

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Bei einem Wärmetauscher in der Ausführung nach Figur 3, der eine katalytische Beschichtung besitzt, kann eine Überhitzung wie vorstehend beschrieben nicht auftreten. Es ergibt sich aber mit der Verwendung der Strahlpumpe der Vorteil, daß durch Kühlung der Abgase durch Zumischung von Frischluft in hohen Lastbereichen sich die Wärmebelastung des Wärmetauschers verringert, also geringere Wärmemengen abzuführen sind, so daß das Bauvolumen des Wärmetauschers entsprechend geringer ausfällt, weil die abzuführenden Wärmemengen geringer sind. Natürlich wird keine Frischluft zugemischt, wenn zum Abbrennen einer Rußschicht wie beschrieben die Kühlmittelzufuhr gesperrt ist.

Anstelle der Strahlpumpe kann die Umgehungsleitung 24 vorgesehen werden, über die bei hoher Last das Abgas um den Katalysator 10 herumgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich hohe Temperaturbelastungen des Katalysators und die daraus resultierenden, oben beschriebenen Nachteile auch vermeiden. Da bei hoher Last und hohen Abgastemperaturen kaum organische Verbindungen im Abgas enthalten sind und die Abgasrückführrate niedrig ist, ist eine Verschmutzung des Wärmetauschers 11 praktisch auszuschließen.

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Claims (10)

wi-gd MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION FRIEDRICHSHAFEN GMBH Friedrichshafen, den 14.03,95 SCHUTZANSPRUCHE

1. Dieselbrennkraftmaschine mit einer einen Katalysator für die Oxidationskatalyse von Kohlenwasserstoffen enthaltenden Abgasanlage, sowie mit einer in die Ansauganlage mündenden Abgasrückführleitung, in der ein Wärmetauscher für die Abgaskühlung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (10) in der Abgasrückführleitung (8) in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher (11) angeordnet ist.

2. Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß zur Katalyse der Kohlenwasserstoffe eine Beschichtung auf den abgasführenden Wandteilen eines Wärmetauschers (lla) vorgesehen ist.

3. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzufuhr zum Wärmetauscher (lla) mittels eines Stellglieds (21) abstellbar ist.

4. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als

Katalysatormaterial Platin, Rhodium oder Palladium dient.

5. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

g daß in der Abgasrückführleitung (8) eine Mischeinrichtung (9) vorgesehen ist, mit der dem in der Abgasrückführleitung (8) strömenden Abgas Frischluft zumischbar ist.

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6. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (9) in Strömungsrichtung vor den Einrichtungen für die Oxidationskatalyse der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist,

7. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (9) als Strahlpumpe ausgebildet ist.

8. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe mit einer Düse ausgebildet ist, über die das rückgeführte Abgas in ein Mischrohr (19) einströmt, das die Düse wie ein Mantelteil umgibt, wobei die Frischluft über einen Ringspalt zwischen Düse und Mischrohr (19) eingesaugt wird, und wobei die Größe des Ringspalts durch Verstellen des Mischrohrs (19) in Richtung seiner Längsachse veränderbar ist.

9. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (19) als Diffusor ausgebildet ist.

10. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umgehungsleitung (24) vorgesehen ist, über die bei hohen Abgastemperaturen das durch die Abgasrückführleitung (8) strömende Abgas um den Katalysator (10) herumgeleitet wird.

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