Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine

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Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Ansaugleitung, einem Turbolader mit einem Verdichter, der in der Ansaugleitung angeordnet ist und einer Turbine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, o einer Abgasrückführleitung, welche von der Abgasleitung stromabwärts der Turbine abzweigt und in die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters mündet und Mitteln zur Druckerhöhung des Abgases in der Abgasrückführleitung.

Es sind verschiedene Abgasrückführsysteme zur Schadstoffreduzierung für turboaufgeladene Motoren bekannt. Die häufigsten verwendeten Systeme weisen einen Niederdruckabgasrückführzweig oder einen Hochdruckabgasrückführzweig auf. Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das Abgas hinter der Turbine und der Abgasreinigungsanlage entnommen und vor dem Verdichter zurückgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sauberes und bereits leicht abgekühltes Abgas zurückgeführt wird, wodurch eine Versottung des Verdichters und des Ladeluftkühlers vermieden wird und der Turbine der volle Abgasstrom zur Verfügung steht. Allerdings muss verhindert werden, dass es durch auskondensiertes Verbrennungswasser zu einer Schädigung des Verdichters durch Tropfenschlag kommt, so dass zunächst das Wasser aus dem Abgas entfernt werden muss. Des Weiteren ist die Regelung der Niederdruckabgasrückführung aufgrund der langen Wege relativ träge. Die Hochdruckabgasrückführung, bei der Abgas vor der Turbine entnommen und stromab des Verdichters wieder der Ansaugleitung zugeführt wird, hat demgegenüber den Vorteil einer raschen Regelbarkeit, weist jedoch unter anderem die Probleme auf, dass entweder das Abgas stromabwärts des Ladeluftkühlers eingeführt wird, was zu einer verminderten Füllung durch erhöhte Temperaturen führt oder eine Versottung des Ladeluftkühlers entsteht. Aus diesem Grund wurden Mischsysteme entwickelt, die sowohl mit einem Niederdruckabgasstrang als auch mit einem Hochdruckabgasstrang ausgerüstet sind. Dies führt allerdings zu einem erhöhten Verrohrungsund somit Montageaufwand, so dass deutlich höhere Kosten entstehen. Aus der DE 10 2009 027 639 AI ist ein Abgasrückführsystem mit einer Hochdruckleitung und einer weiteren Abgasrückführleitung bekannt, welche hinter einer Abgasreinigungsvorrichtung und somit hinter der Turbine des Turboladers abzweigt und stromab des Verdichters in die Ansaugleitung mündet. Um über diesen Abgasstrang ausreichend Abgas fördern zu können, ist im Abgasrückführstrang zur Überwindung des Druckgefälles eine über einen Elektromotor angetriebene Abgaspumpe angeordnet. So kann sauberes Abgas dem Verbrennungsmotor gekühlt zur Verfügung gestellt werden, ohne dass eine zu hohe Trägheit der Massenstrom- und Temperaturregelung zu befürchten ist. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche Antriebsleistung für die AGR-Pumpe in das System eingebracht werden muss, was den Gesamtwirkungsgrad herabsetzt.

Des Weiteren wurde als Alternative zur Aufladung von Verbrennungsmotoren mittels Abgasturboladern die Verwendung von Druckwellenladern getestet, welche besonders resistent gegen Verschmutzungen durch das Abgas reagieren, da aufgrund der Funktionsweise eine regelmäßige Spülung der Kammern durch die zu verdichtende Frischluft stattfindet, so dass eine wachsende Verrußung nicht zu befürchten ist. Ein solcher Druckwellenlader wird beispielsweise in der DE 10 2010 049 361 AI beschrieben. Durch den hohen Druck im Abgasstrang kann in die Kammern des Druckwellenladers gelangtes Abgas bis beinahe auf den Druck in der Abgasleitung also am Auslass der Zylinder verdichtet werden. Besondere Abgasrückführsysteme für derartige Motoren sind bislang nicht bekannt.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem zu schaffen, mit dem möglichst gereinigtes Abgas gekühlt zum Verbrennungsmotor stromab des Verdichters zurückgeführt werden kann, wobei der notwendige Energieeintrag minimiert werden soll. Der Druck in der Ansaugleitung soll ebenso wie die Temperatur der Ladeluft durch die Abgasrückführung nicht verringert werden, so dass die Füllung der Zylinder im Vergleich zu Zuständen ohne Abgasrückführung erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass als Mittel zur Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung ein Druckwellenlader angeordnet ist, wird keine zusätzliche Antriebsenergie zur Druckerhöhung des Abgases auf das Ladeluftniveau benötigt. So können hohe Volumenströme sauberen Abgases gefördert werden.

Vorzugsweise ist ein Fördereinlass des Druckwellenladers über die Abgasrückführleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden, ein Förderauslass über die Abgasrückführleitung mit der Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters verbunden, ein Druckweileneinlass über eine Bypassleitung mit der Abgasleitung stromaufwärts der Turbine verbunden und ein Druckwellenauslass über die Bypassleitung mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine verbunden. Entsprechend wird der Druck in der Abgasauslassleitung der Zylinder zur Druckerhöhung im Druckwellenlader genutzt, um eine entsprechende Druckerhöhung des Abgases von der Niederdruckseite auf einen Druck oberhalb der Ladeluftleitung zu erhalten.

In einer weiterführenden Ausführung zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromabwärts eines Partikelfilters von der Abgasleitung ab, so dass sichergestellt ist, dass Partikel freies Abgas zur Ladeluft gemischt wird. Dies verringert die Belastung der nachfolgenden Bauteile und Leitungen und erhöht somit deren Lebensdauer.

Entsprechend zweigt die mit dem Fördereinlass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung auch stromabwärts eines Katalysators von der Abgasleitung ab, so dass sauberes Abgas zurückgeführt wird. Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen an kühlen Wänden nachfolgender Teile, wie beispielsweise des Ladeluftkühlers werden auf diese Weise deutlich reduziert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mit dem Förderauslass des Druckwellenladers verbundene Abgasrückführleitung stromaufwärts eines Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung mündet, da so dass gesamte Verbrennungsgas gemischt und mit einer einheitlichen Temperatur dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Des Weiteren reicht ein Ladeluftkühler zur Kühlung des Abgases und der Luft aus. So können hohe Füllungen durch geringe Temperaturen der Zylinderfrischluftladung erreicht werden.

Zur Verringerung der Emissionen des ausgestoßenen Abgases mündet die mit dem Druckwellenauslass verbundene Bypassieitung des Druckwellenladers stromaufwärts des Partikelfilters in die Abgasleitung. Entsprechend wird das zur Druckerhöhung genutzte Abgas vor dem Verlassen des Verbrennungsmotors gereinigt. Vorzugsweise wird ein Zellenrad des Druckwellenladers über einen Elektromotor angetrieben. Der Energieeintrag bei dieser Anordnung ist extrem gering, da keine wesentliche Leistung übertragen werden muss, 5 sondern lediglich die gasdynamischen Vorgänge in den einzelnen Zellen synchronisiert werden. So kann das System auf veränderliche Schallgeschwindigkeiten im Gas eingestellt werden.

In einer alternativen Ausführungsform wird das Zellenrad des o Druckwelienladers über die Kurbelwelle oder die Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. So entsteht ein zu den Gaswechselvorgängen synchroner Antrieb, ohne jeglichen externen Energieeintrag. Es wird somit ein Abgasrückführsystem mit einer exakten Regelbarkeit geschaffen, bei dem sauberes Abgas direkt in die Ladeluftleitung zurückgeführt wird, ohne einen erhöhten Energieeintrag vornehmen zu müssen. Auf zusätzliche Kühler oder Rohrleitungen kann verzichtet werden. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wird durch die Einbringung des Luft- Abgasgemisches mit geringer Temperatur und erhöhtem Druckniveau verbessert.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild des Luft- und Abgassystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt eine Abwicklung eines Druckwelienladers im erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem nach Figur 1 in schematischer Darstellung. In Figur 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, welcher über eine Ansaugleitung 12 mit Verbrennungsgas versorgt wird. In der Ansaugleitung 12 ist ein Verdichter 14 eines Turboladers 16 angeordnet. Stromabwärts des Verdichters 14 befindet sich in der Ansaugleitung 12 ein Ladeluftkühler 18 zur Reduzierung der Temperatur der Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase verlassen den Verbrennungsmotor 10 über eine Abgasleitung 20, in welcher eine Turbine 22 des Turboladers 16 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 22 befinden sich in der Abgasleitung 20 ein Partikelfilter 24 und ein Katalysator 26, von denen aus das Abgas weiterströmt und die Abgasleitung 20 über einen Abgasauslass 28 verlässt.

Zur Reduzierung von Schadstoffen zweigt von der Abgasleitung stromabwärts des Katalysators 26 und des Partikelfilters 24 eine Abgasrückführleitung 30 ab, welche stromabwärts des Verdichters 14 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 18 in die Ansaugleitung 12 mündet.

Da das Abgas gereinigt hinter dem Partikelfilter 24 und dem Katalysator 26 entnommen wird, besteht kein Versottungsproblem des Ladeluftkühlers 18. Auch besteht der Vorteil, dass der Verdichter 14 nicht mit Kondensat enthaltendem Abgas beaufschlagt wird. Problematisch ist es jedoch, dass ein Druckgefälle von der Mündung der Abgasrückführleitung 30 zur Abzweigung der Abgasrückführleitung 30 besteht. Daher ist es notwendig, das Abgas aktiv in Richtung zur Ansaugleitung 12 zu fördern. Es ist daher erfindungsgemäß in der Abgasrückführleitung 30 ein Druckwellenlader 32 angeordnet. Dieser Druckwellenlader 32 wird über einen Elektromotor 34 angetrieben, wobei dieser Antrieb keine Leistung zur Komprimierung des Abgases abgibt, sondern lediglich die 5 gasdynamischen Vorgänge in den Zellen 36 des Druckwellenladers 32 synchronisiert. Das bedeutet, dass er lediglich eine Antriebsleistung zur Bewegung eines Zellenrades 38 des Druckwellenladers 32 aufbringt, jedoch ohne Energie zur Komprimierung des Abgases aufzuwenden. Im Vergleich zu einem Riemen- oder Kettenantrieb des Zellenrades 38 des lo Druckwellenladers 32 ist es beim Antrieb mit dem Elektromotor 34 möglich, dessen Drehzahl optimal an die veränderlichen Schallgeschwindigkeiten des Abgases anzupassen. Solche Druckwellenlader 32 sind als Suprex- oder Hyprexlader bekannt.

15 Im Vergleich zu der bekannten Verschaltung eines Druckwellenladers 32 zur Verdichtung der Ansaugluft wird jedoch bei der vorliegenden Erfindung das Abgas sowohl gefördert als auch zur Druckerhöhung genutzt. Hierzu wird ein Fördereinlass 40 des Druckwellenladers 32 mit der Abgasrückführleitung 30 verbunden, welche von der Abgasleitung 20

20 stromabwärts des Katalysators 26 und dem Partikelfilter 24 abzweigt. Ein Förderauslass 42 wird über die Abgasrückführleitung 30 mit der Ansaugleitung 12 stromabwärts des Verdichters 14 verbunden. Auf der etwa axial zum Fördereinlass 40 gegenüberliegenden Seite des Zellenrades 38 ist der Druckwellenlader 32 mit einem Druckwellenauslass

25 44 verbunden, der in eine Bypassleitung 46 führt, die in die Abgasleitung 20 stromabwärts der Turbine 22 und stromaufwärts des Partikelfilters 24 mündet, so dass dieses Abgas im Folgenden gereinigt wird. Diese Bypassleitung 46 zweigt von der Abgasleitung 20 vor der Turbine 22 also an einer Position, an der ein hoher Abgasdruck vorliegt, ab und ist an 0 einen Druckwelleneinlass 48 des Druckwellenladers 32 angeschlossen, der etwa axial gegenüberliegend zum Förderauslass 42 des Druckwellenladers 32 angeordnet ist.

Die Funktionsweise des Druckwellenladers 32 wird im Folgenden anhand der Figur 2 erläutert. Dabei wird eine einzelne Zelle 36 betrachtet, welche zunächst mit sauberem Abgas vom Fördereinlass 40 gefüllt sei. Bei Drehung der Zelle 36 gelangt diese vor die Öffnung des Druckwelleneinlasses 48. Am Druckwelleneinlass 48 liegt der Druck des nicht gereinigten Abgases im Hochdruckbereich also stromaufwärts der Turbine 22 an. Dieser im Vergleich zum in der Zelle 36 aus dem Niederdruckbereich stammenden Abgas deutlich erhöhte Druck führt dazu, dass sich in der Zelle 36 eine Druckwelle zur rechten Seite ausbreitet, die zu einer Komprimierung des in der Zelle 36 vorhandenen sauberen Gases führt. Wenn diese Druckwelle sich so weit ausgebreitet hat, dass das saubere Gas so stark komprimiert wurde, dass es im wesentlichen den gleichen Druck aufweist wie das vom Druckwelleneinlass 48 stammende Gas, öffnet sich das Auslassfenster zum Förderauslass 42. Das saubere Abgas strömt aus und gelangt in die Ansaugleitung 12. Durch die weitere Drehung des Zellenrades 38 wird der Förderauslass 42 geschlossen bevor das nicht gereinigte Abgas ausströmen kann. Stattdessen wird der an der gleichen Seite wie der Druckwelleneinlass 48 angeordnete Druckwellenauslass 44 im Folgenden geöffnet. Dies bedeutet, dass die Zelle 38 den Druckwellenauslass 44 erreicht, wodurch das nicht gereinigte Abgas über die Bypassleitung 46 in den Bereich hinter der Turbine 22 zurückströmen kann und im Folgenden im Partikelfilter 26 und im Katalysator 28 gereinigt wird. Dieser Ausschub führt zu einer Unterdruckwelle in der Zelle 36. Durch Weiterdrehen des Zellenrades gelangt die Zelle 36 in Verbindung mit dem Fördereinlass 40, über den aufgrund der Unterdruckwelle die Zelle 36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt wird, während das nicht gereinigte Abgas ausgeschoben wird. Nun ist die Zelle 36 wieder mit sauberem Abgas gefüllt, so dass der beschriebene Vorgang erneut beginnt.

Daraus folgt, dass sauberes Abgas auf ein Druckniveau erhöht wird, welches über dem Druckniveau der Luft hinter dem Verdichter 14 liegt. Entsprechend liegt ein Druckgefälle vor, was dazu führt, dass eine ausreichende Menge in diesen Hochdruckbereich der Ansaugleitung 12 einströmen kann. Dieses Abgas kann im Folgenden im Ladeluftkühler 18 gemeinsam mit der verdichteten Luft abgekühlt werden und dem Verbrennungsmotor 10 als Frischladung zur Verfügung gestellt werden. Der die Druckwelle bereitstellende nicht gereinigte Abgasstrom des Hochdruckbereiches wird anschließend dem Reinigungsprozess zugeführt.

Dies bedeutet, dass das bei minimaler aufzubringender Leistung gereinigte Abgas dem Verbrennungsprozess zeitnah zur Verfügung gestellt werden kann, so dass eine schnelle Regelbarkeit des Systems gegeben ist. Des Weiteren ist ein Druckwellenlader sehr robust und weist im Vergleich zu Pumpen eine hohe Lebensdauer in aggressiver Atmosphäre auf. So werden gleichzeitig sehr gute Emissionswerte und ein hoher Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erreicht.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschrieben Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sind verschiedene Abgas- und Ansaugsysteme denkbar, für die der Einsatz eines Druckwellenladers zum Zwecke der Förderung zurückgeführten Abgases sinnvoll sein kann. Auch kann der Antrieb des Druckwellenladers über die Nockenwelle oder die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors erfolgen.