DE60024776T2

DE60024776T2 - Turbolader und abgasrückführungssystem

Info

Publication number: DE60024776T2
Application number: DE60024776T
Authority: DE
Inventors: I. Stephen ROBY; R. Steven MCKINLEY
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1999-01-15
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: EP1144827A1; US6089019A; EP1144827B1; DE60042428D1; EP1612390A3; EP1612390A2; EP1598539B1; WO2000042305A1; EP1612390B1; DE60024776D1; EP1598539A1; JP2002535532A; US6263672B1; DE60044688D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine mit einem Turbolader versehene Brennkraftmaschine.
Die Rückführung von Abgas in das Ansauggas einer Brennkraftmaschine ist als signifikantes Verfahren zum Verringern der Erzeugung von Stickoxiden (NO_x) während des Verbrennungsprozesses in großem Maße anerkannt. Durch das rückgeführte Abgas findet teilweise eine Abschreckung des Verbrennungsprozesses und eine Verringerung der während der Verbrennung erzeugten Spitzentemperatur statt. Da die NO_x-Erzeugung von der Spitzentemperatur abhängig ist, wird durch die Rückführung des Abgases die Menge an erzeugtem NO_x reduziert.
Um das Abgas in den Ansaugkrümmer rückzuführen, muss es sich auf einem Druck befinden, der größer ist als der Druck des Ansauggases. In einer mit einem Turbolader versehenen Brennkraftmaschine besitzt jedoch das Ansauggas typischerweise einen höheren Druck als das Abgas. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Verdichter des Turboladers den Druck des Ansauggases gezielt erhöht, während nur ein geringer Druckanstieg des Abgases erzeugt wird. Daher ver läuft die Druckdifferenz vom Abgas zum Ansauggas für eine mit einem Turbolader versehene Brennkraftmaschine oft in der falschen Richtung, um eine Strömung vom Abgassystem zum Ansaugsystem zu erzielen. Dies ist insbesondere der Fall bei einem Betrieb mit einem Spitzendrehmoment, bei dem der Druck im Einlasssystem wesentlich erhöht wird und die Verbrennungstemperaturen relativ hoch sind.
Es wurden bereits diverse Systeme vorgeschlagen, um rückgeführtes Abgas für eine mit einem Turbolader versehene Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen. Bei einer Konstruktion befindet sich ein Ventil vom Schmetterlingstyp am Auslass der Turbine, so dass das Abgassystem unter Rückdruck gesetzt wird. Diese Rückdruckbeaufschlagung durch die Turbine führt jedoch zu einer Druckbelastung des Turboladerrotorsystems, wodurch der Verschleiß der Turboladerlager erhöht wird. Des weiteren kann unter Druck stehendes Abgas an den Dichtungen und Lagern des Turboladers vorbei lecken und zusammen mit dem zurückgeführten Schmieröl in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine fließen, so dass eine unerwünschte Erhöhung des Kurbelgehäusedrucks der Brennkraftmaschine stattfindet.
Bei noch einer anderen Konstruktion wird am Turbineneinlass eine Kombination aus Rückdruck/Abgasrückführventil (EGR-Ventil) vorgesehen. In diesem Ventil wird die Betätigung des Rückdruckventils mechanisch mit der Betätigung des EGR-Ventils verriegelt. Dieses Ventil besitzt jedoch keine Flexibilität, um die Rückdruckbeaufschlagung des Abgassystems unabhängig von der Umwälzung des Abgases zu verändern. Dieses Fehlen von Flexibilität bedeutet, dass die Menge des rückgeführten Abgases für einen einzigen oder engen Bereich von Bedingungen optimiert werden kann, jedoch für die meisten Bedingungen nicht optimal ist. Ferner ermöglicht ein derartiges Kombinationsventil keine Rückdruckbeaufschlagung des Abgassystems während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine ohne ebenfalls ein hohes Ausmaß an rückgeführtem Abgas zuzulassen. Ein derartiges Kombinationsventil ist in bezug auf die Verringerung von weißem Rauch von einem Dieselmotor während des Kaltstartens und Aufwärmens weniger als optimal.
Was benötigt wird, ist ein Abgasrückführsystem, das die gegenwärtig vorhandenen Systeme verbessert. Die vorliegende Erfindung sieht ein neuartiges und nichtoffensichtliches EGR-System vor, das diese Verbesserungen liefert.
Die US-A-4249382 beschreibt ein Abgasrückführsystem mit einem Turbolader zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases zum Aufladen der Brennkraftmaschine, einem Drosselventil zur Aufnahme von Abgas von der Brennkraftmaschine, das einstellbar ist, um den Druck des Abgases zu erhöhen, wobei das Drosselventil einen Auslass besitzt, der in Strömungsmittelverbindung mit dem Turbolader steht, und einem druckbetätigten Abgasrückführventil mit einem Einlass zum Aufnehmen von Abgas von der Brennkraftmaschine, der sich automatisch öffnet, wenn der Abgasdruck über ein vorgegebenes Spitzenniveau ansteigt, um Abgas dem Ansauggas der Brennkraftmaschine zuzuführen.
Ein anderes Abgasrückführsystem ist in der US-A-3925989 beschrieben.
Die EP-A-0531277, auf der der Oberbegriff von Patentanspruch basiert, beschreibt ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine, die Abgas erzeugt und Ansauggas aufnimmt, die aufweist: einen Turbolader zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine, der eine Turbine mit einem Einlass und einen Verdichter mit einem Auslass aufweist, ein Drosselventil, das Abgas von der Brennkraftmaschine empfängt und zum Erhöhen des Drucks des Abgases verstellbar ist und das einen Einlass und einen Auslass hat, von denen der Auslass mit dem Turbineneinlass in Strömungsmittelverbindung steht, ein Abgasrückführventil mit einem Einlass, der Abgas von der Brennkraftmaschine empfängt, und einem Auslass, der betätigbar ist, um dem Ansauggas der Brennkraftmaschine Abgas zuzuführen, wobei der Einlass des Rückführventils mit dem Einlass des Drosselventils in Strömungsmittelverbindung steht, ein Betätigungsglied, das mit dem Drosselventil verbunden ist, um Bewegungen des Drosselventils zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Stellung herbeizuführen, und ein Betätigungsglied, das mit dem Abgasrückführventil verbunden ist, um Bewegungen des Rückführventils zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Stellung herbeizuführen, wobei das Drosselventil unabhängig von der Betätigung des Abgasrückführventils betätigbar ist und der Einlass des Drosselventils mit Hilfe eines Druckspeichers, der den Ansaugkanal zu unterschiedlichen Zeiten mit einer Gasladung beaufschlagt, mit dem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasrückführsystem gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Ein System gemäß dem ersten Teil von Patentanspruch 1 ist in der US-A-3925989 offenbart.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr eine Ausführungsform derselben anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Hiervon zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine schematische Darstellung eines Drosselventils in einer Position gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B das Drosselventil der 2A in einer anderen Position;
2C das Ventil der 2A in einer anderen Position;
3 eine Darstellung eines Drosselventils gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung eines Drosselventils und eines EGR-Ventils gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung eines Drosselventils und eines EGR-Ventils, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören;
6 eine perspektivische Ansicht eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Ansicht des Turboladers der 6;
8 eine Schnittansicht des Turboladers der 7 entlang Linie 8-8 in 7;
9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Abgasrückführsystems, das von einem elektronischen Regler geregelt wird; und
10 eine Schnittansicht eines EGR-Ventils gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Rückführung von Abgas einer Brennkraftmaschine von den Auslasskanälen zu den Einlasskanälen. Bei einer Ausführungsform besitzt die vorliegende Erfindung einen Turbolader, ein Drosselventil und ein Abgasrückführventil (EGR-Ventil). Dieses EGR-Ventil wird geöffnet, um eine Rückführung des Abgases in die Einlasskanäle zu ermöglichen. Das Drosselventil ist verstellbar, um den Druck des Abgases aufstromseitig der Turbine des Turboladers am Einlass des EGR-Ventils zu erhöhen. Unter einigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bleibt das EGR-Ventil geschlossen, und der erhöhte Druck des Abgases sorgt für eine zusätzliche Belastung der Brennkraftmaschine.
In herkömmlicher Weise nimmt der Turbolader Abgas von der Brennkraftmaschine auf und erzeugt Energie in einer Turbine, die zum Antreiben eines Verdichters verwendet wird. Der Verdichter erhöht den Druck des von der Brennkraftmaschine aufgenommenen Ansauggases. Der Druck des Ansauggases am Verdichterauslass ist variabel und steht unter anderem mit der von der Turbine gelieferten Energiemenge in Beziehung. Die von der Turbine abgegebene Energie hängt von der Temperatur und dem Druck des Abgases sowie von anderen Faktoren ab.
Unter einigen Betriebsbedingungen, wie der Erzeugung eines Spitzendrehmomentes durch einen Dieselmotor, ist der Druck des Ansauggases höher als der Druck des Abgases. Aufgrund dieses entgegengesetzten Druckgradienten wird Abgas nicht in den Ansaugkanal zurückgeführt.
Um das Abgas in den Ansaugkanal zurückzuführen, sieht die vorliegende Erfindung ein Drosselventil vor, das aufstromseitig der Turbine angeordnet ist. Dieses Drosselventil besitzt eine bewegliche durchflussdrosselnde Vorrichtung, die so eingestellt werden kann, dass der Widerstand des Drosselventils gegenüber dem Durchfluss des Abgases erhöht werden kann. Durch Erhöhung des Strömungswiderstandes nimmt der Druck des dem Drosselventil zugeführten Abgases zu und kann der Druck des vom Drosselventil zur Turbine strömenden Abgases abnehmen. Durch Abnahme des Drucks des zur Turbine strömenden Abgases nimmt die Turbinenleistung und auch der Druck des Ansauggases ab, da dem Verdichter weniger Energie zugeführt wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt das Drosselventil eine den Durchfluss drosselnde Vorrichtung vom Schmetterlingstyp. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt das Drosselventil eine halbzylindrische Durchflussdrosselvorrichtung, die in einer halbzylindrischen Tasche drehbar ist. Bei noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Drosselventil ein oder mehrere beweglich Einlassschaufeln für die Turbine auf, die den Einlassdurchflussbereich für die Turbine und/oder den Aufprallwinkel des auf die rotierenden Turbinenschaufeln treffenden Abgases verändern. Bei noch einer anderen Ausführungsform erzeugen die variablen Turbinenschaufeln andere aerodynamische Effekte, wie eine Veränderung des Einfallwinkels für die Luft, die den Schaufeln der Turbine zugeführt wird, und in einigen Fällen eine Verringerung der Effizienz der Turbine und eine Erhöhung des Strömungswiderstandes der Turbine.
Bei der vorliegenden Erfindung führt die Anordnung des Drosselventils aufstromseitig der Turbine zu einer geringeren Druckdifferenz an der Turbine und dem Verdichterrotor, als wenn das Drosselventil abstromseitig der Turbine angeordnet wäre. Die abstromseitige Anordnung des Drossel ventils erzeugt eine aerodynamische Kraftdifferenz am Turboladerrotor, wodurch die Lagerlebensdauer nachteilig beeinflusst wird. Auch führt die abstromseitige Anordnung des Drosselventils zu einer Erhöhung des Gasdrucks in den Rückführkanälen des Turboladers, so dass der Druck im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine erhöht wird. Die aufstromseitige Anordnung des Drosselventils führt daher zu einer verlängerten Lagerlebensdauer und zu einem verringerten Einblasen von Gas in das Kurbelgehäuse und Ausblasen desselben aus dem Kurbelgehäuse.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ferner ein oder mehrere Abgasrückführventile (EGR-Ventile). Die Bezugnahme auf ein EGR-Ventil umfasst sowohl Einzel- als auch Mehrfachventilausführungsformen. Das EGR-Ventil besitzt einen Einlass, der in Strömungsmittelverbindung mit dem unter erhöhtem Druck stehenden Abgas aufstromseitig der Drosselvorrichtung steht, und einen Auslass, der in Strömungsmittelverbindung mit einem mit Ansauggas beaufschlagten Ansaugkanal steht. Das EGR-Ventil besitzt ein Ventilglied, das wahlweise zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position bewegbar ist. In der geschlossenen Position findet im wesentlichen kein Durchfluss von Ansauggas oder Abgas am Ventilglied vorbei statt, mit Ausnahme einer Leckage. In der geöffneten Position wird eine Strömungsmittelverbindung vom EGR-Ventileinlass zum EGR-Ventilauslass hergestellt. Vorzugsweise öffnet sich das EGR-Ventil vollständig in eine Position mit einem festen Durchflussbereich, um die Konstruktion einfach zu gestalten. Dies kann erreicht werden, indem mechanische Anschläge für die Bewegung des beweglichen Ventilgliedes oder für die Bewegung des Gestänges, das das Ventilglied bewegt, angeordnet werden oder indem eine elektronische Rückkopplung der Ventilposition zu einem Regler erfolgt, der die Ventilposition aufrechterhält. Die vorliegende Erfindung schlägt jedoch auch solche EGR-Ventile vor, bei denen das Ventilglied in Positionen unmittelbar vor der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position verstellt werden kann.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das EGR-Ventil geöffnet, wenn der Abgasdruck größer ist als der Ansauggasdruck, so dass Abgas in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine strömt. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt das Ventilglied des EGR-Ventils ein oder mehrere Tellerventile ähnlich einem Auslasstellerventil in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Die Tellerventile können auf diverse Weise betätigt werden, einschließlich einer direkten Betätigung entlang dem Schaft des Ventils und über einen Kipphebel, der auf den Ventilschaft einwirkt. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem EGR-Ventil um ein Wastegate-Ventil.
Bei noch einem anderen Aspekt der Erfindung sind sowohl das Drosselventil als auch das EGR-Ventil in der Lagergehäuseeinheit des Turboladers angeordnet. Das Drosselventil ist benachbart zum Turbineneinlasskanal angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist ein Drosselventil vom Schmetterlingstyp an einem Flansch des Turbineneinlasskanals vorgesehen. Bei noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das trommelförmige Drosselventil in der Nähe eines Flansches des Turbineneinlasskanals angeordnet. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die variablen Führungsschaufeln entlang dem Turbineneinlasskanal in der Nähe der Schaufeln der Turbine angeordnet.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein EGR-Ventil aufweisen, wird das EGR-Ventil vorzugsweise von der Lagergehäuseeinheit gelagert. Bei den Ausführungsformen, die ein Schmetterlingsventil oder Trommelventil besitzen, ist das EGR-Ventil vorzugsweise benachbart zum Schmetterlingsventil oder Trommelventil angeordnet. Bei den Ausführungsformen, die variable Turbinenschaufeln aufweisen, ist das EGR-Ventil vorzugsweise in einem Abschnitt der Lagergehäuseeinheit angeordnet, wobei ein Abschnitt des Ventilgliedes in Strömungsmittelverbindung mit dem Turbineneinlasskanal steht.
Um die Packung des EGR-Systems weiter zu verbessern, werden das EGR-Ventil und das Drosselventil vorzugsweise von unter hohem Druck stehendem Hydraulikmittel betätigt, wie dem vom Hydraulikmitteldruck, der zur Betätigung der Dieselmotorkraftstoffeinspritzvorrichtungen benutzt wird, oder von einer anderen Quelle eines hydraulischen Strömungsmittels zur Verfügung stehendem Druck. Die vorliegende Erfindung schlägt des weiteren Betätigungsglieder vor, die unter niedrigem Druck stehende Strömungsmittel benutzen, wie Motorschmieröl, des weiteren pneumatische Druckquellen und elektrische Motoren.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Abschnitte des EGR-Ventils und Abschnitte des Dros selventils in der Lagergehäuseeinheit so verpackt, dass eine Volumenverringerung der Kanäle benachbart zum EGR-Ventil und Drosselventil erzielt wird. Vorzugsweise sind das gesamte Drosselventil und das gesamte EGR-Ventil in der Lagergehäuseeinheit verpackt. Durch die Verringerung des Volumens der Kanäle benachbart zu diesen Ventilen ist es möglich, die Transportverzögerung und das Übergangsansprechverhalten des EGR-Systems zu reduzieren, was zu einem verbesserten Verhalten der Brennkraftmaschine führt. Des weiteren erfordert diese bevorzugte Verpackung ein geringeres Gesamtvolumen zum Verpacken des Turboladers, EGR-Ventils und Drosselventils, was dazu führt, dass ein größeres Motorabteilvolumen für andere Komponenten zur Verfügung steht. Die Betätigungseinrichtung für das EGR-Ventil und Drosselventil sollte jedoch mit den hohen Temperaturen der Lagergehäuseeinheit kompatibel sein.
Bei denjenigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen variable Schaufeln für die Turbine Verwendung finden, führt ein teilweises Schließen der Schaufeln zu einer höheren Turbinen/Verdichterrotordrehzahl für den gleichen Auslassrückdruck, wie er von anderen Drosselvorrichtungen erzeugt wird. Durch eine höhere Rotordrehzahl, insbesondere im Leerlauf, wird das Übergangsansprechverhalten des Turboladers und der Brennkraftmaschine verbessert. Dieses verbesserte Übergangsansprechverhalten führt zu einer verringerten Partikelemission und zu einer verbesserten Betriebsweise der Brennkraftmaschine während gesetzlicher Emissionsmesstests einschließlich der US EPA und europäischen Euro-Emissionstests.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind das Abgasrückführventil und das Drosselventil unabhängig voneinander betätigbar. Beispielsweise kann das Drosselventil im wesentlichen geschlossen sein, wenn das EGR-Ventil im wesentlichen geschlossen ist. Dieses Schließen von beiden Ventilen sorgt für einen Rückdruck bei einem Dieselmotor, der geeignet ist, den vom Dieselmotor während eines Kaltstarts erzeugten weißen Rauch zu reduzieren. Beispielsweise kann das EGR-Ventil auch geöffnet werden, wenn das Drosselventil im wesentlichen geschlossen ist, so dass der Druck des dem Einlass des EGR-Ventils zugeführten Abgases erhöht und auf diese weise rückgeführtes Abgas dem Ansauggas zugeführt wird. Diese Funktionsweise des EGR-Systems kann rückgeführtes Abgas während Betriebsperioden eines Dieselmotors, wie bei einem Spitzendrehmoment, zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann das EGR-Ventil geschlossen und die bewegliche Durchflussdrosselvorrichtung des Drosselventils in einer Position eines minimalen Strömungswiderstandes gehalten werden, so dass kein rückgeführtes Abgas dem Ansauggas zugeführt wird und der Betrieb der Turbine im wesentlichen nicht durch irgendeine Strömungsdrosselung behindert wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden das Drosselventil und das EGR-Ventil von einer Steuereinheit, wie beispielsweise einer digitalen elektronischen Steuereinheit mit einem digitalen Prozessor oder einer analogen elektronischen Steuereinheit, betätigt. Beispielsweise kann die Steuereinheit die Durchflussdrosselvorrichtung so lange positionieren, bis der Abgasdruck von der Brennkraftmaschine den Druck des Ansauggases übersteigt.
Durch das Öffnen des EGR-Ventils unter diesen Bedingungen wird Abgas in das Ansauggas rückgeführt. Bei noch anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Anordnung der Durchflussdrosselvorrichtung, um einen Abgasdruck zu erreichen, der größer ist als der Druck des Ansauggases, über mechanische Steuereinheiten durchgeführt werden, beispielsweise solche mechanische Steuereinheiten, die von Feder- und Membrananordnungen Gebrauch machen und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind.
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 20 mit einem Abgasrückführsystem 22. Die Brennkraftmaschine 20 besitzt einen oder mehrere Zylinder 23 zur Energieerzeugung. Jeder Zylinder 23 wird über einen Ansaugkrümmer 24, der mit einem Ansaugkanal 26 in Strömungsmittelverbindung steht, mit Ansauggas beaufschlagt. Durch die Verbrennung von Kraftstoff und des Ansauggases innerhalb des Zylinders wird Abgas erzeugt, das aus dem Zylinder 23 in einen Auslasskrümmer 28 gepumpt wird. Das Abgas strömt durch den Auslasskrümmer 28 in eine Auslassleitung 30.
Das Abgas in der Leitung 30 wird dem EGR-System 22 zugeführt, das vorzugsweise ein Drosselventil 32, ein EGR-Ventil 34 und einen Turbolader 36 aufweist. Das Drosselventil 32 besitzt eine betätigbare Durchflussdrosselvorrichtung, die in der Lage ist, den Ventildurchflusswiderstand in Abhängigkeit von einem Eingangssignal von einer Steuereinheit zu verändern. Durch den variablen Strömungswiderstand wird der Strömungswiderstand des Ventils 32 erhöht und auf diese Weise der Druck des Abgases in der Leitung 30 und der Druck des dem EGR-Ventils 34 zuge führten Abgases vergrößert. Das Drosselventil besitzt vorzugsweise keinen Auslass zum Leiten von Abgas um die Turbine des Turboladers, obwohl einige Ausführungsformen einen derartigen Bypass, wie ein Wastegate oder eine Bypassvorrichtung, besitzen. Das EGR-Ventil 34 bildet eine Einrichtung zum Steuern des Durchflusses des rückgeführten Abgases zum Ansaugkanal 26 in Abhängigkeit von einem Eingangssignal von der Steuereinheit. Der Auslass des EGR-Ventils 34 steht vorzugsweise sowohl mit dem Auslass 53 des Turboladerverdichters 52 als auch mit dem Ansaugkrümmer 24 in Strömungsmittelverbindung.
Ein Teil des Abgases in der Leitung 30, vorzugsweise etwa 85 % oder mehr des Abgases, dringt in den Einlass 40 des Drosselventils 32 ein und durchströmt den Ventilauslass 42. Der Auslass 42 steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Turbineneinlasskanal 44, der das Abgas der Turbine 46 des Turboladers 36 zuführt.
Die Turbine 46 bildet einen Teil eines Rotorsystems 50, das einen Verdichter 52 aufweist. Der Verdichter 52 wird mit Einlassgas durch den Einlass 54 beaufschlagt, komprimiert das Gas auf einen höheren Druck und gibt es über den Verdichterauslass 53 in den Ansaugkanal 26 ab. Der Rotor 50 wird von Lagern 53 innerhalb einer Lagergehäuseeinheit 56 gelagert. Die Gehäuseeinheit 56 besitzt diverse statische Lagereinrichtungen des Turboladers 36 und kann solche statische Einrichtungen aufweisen, wie Einlass- und Auslassflansche und Gehäuse, Lager, Gaskanalkonstruktionen, wie Schnecken und Diffusoren, und Verdichterabdeckungen sowie Turbinengehäuse. Über das Schmiersystem der Brenn kraftmaschine 20 wird ein Schmiermittel für die Lager 53 zur Verfügung gestellt. Das Schmiermittel kehrt über die Rückführleitung 55 zum Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 20 zurück. Die Rückführleitung 55 enthält ferner Abgas und Ansauggas, die an den Dichtungen (nicht gezeigt) benachbart zu den Lagern 53 vorbeilecken. Dieses Leckagegas wird ebenfalls über die Leitung 55 in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 20 geleitet.
Die 2A, 2B und 2C zeigen eine Ausführungsform eines Drosselventils in verschiedenen Betriebsstadien. Das Drosselventil 132 besitzt eine trommelförmige, halbzylindrische Durchflussdrosselvorrichtung 133, die in einer halbzylindrischen Tasche 136 drehbar ist. Mindestens ein Abschnitt der Durchflussdrosselvorrichtung 133 und/oder der halbzylindrischen Tasche 136 ist im Lagergehäuse 56 angeordnet. Die Vorrichtung 133 ist innerhalb der Tasche 136 bewegbar, indem sie in Abhängigkeit von der Bewegung eines Betätigungsgestänges 200 gedreht wird. Das Gestänge 200 beaufschlagt das Ventil 132 in Abhängigkeit von einem Betätigungseingangssignal der Steuereinheit.
Wie in 2A gezeigt, ist die Vorrichtung 133 in eine Position gedreht worden, in der die Strömungsmittelverbindung vom Einlass 40 zum Auslass 42 und vom Einlass 40 zum Auslass 138 im wesentlichen gedrosselt ist. Der Auslass 138 des Trommelventils 132 steht vorzugsweise in Strömungsmittelverbindung mit dem Einlass 60 des EGR-Ventils 34, kann jedoch auch in Strömungsmittelverbindung mit beispielsweise einem EGR-Kühler (nicht gezeigt) oder irgendeiner anderen Vorrichtung stehen, die den Auslass 138 in Strömungsmittel verbindung mit dem Ansaugkanal 26 bringen kann. Durch die in 2A gezeigte Position des Ventils 132 wird der von einem kalten Dieselmotor erzeugte weiße Rauch verringert, indem beispielsweise der Motor 20 über die Abgasleitung 30 mit einem Rückdruck beaufschlagt wird. Vorzugsweise blockiert die Vorrichtung 133 den Einlass 40 nicht vollständig, so dass etwas Abgas in die Turbine 46 eindringt.
Gemäß 2B ist die Durchflussdrosselvorrichtung 133 in eine Position gebracht worden, in der nur ein geringer oder überhaupt kein zusätzlicher Strömungswiderstand in bezug auf den Turbineneinlasskanal 44 existiert, so dass Abgas von der Leitung 30 generell unbehindert durch das Drosselventil 132 in die Turbine 46 strömt. In dieser Position der Durchflussdrosselvorrichtung 133 wird der Abgasstrom in den Kanal 138 wesentlich gedrosselt. Diese Position der Vorrichtung 134 ermöglicht eine normale Funktionsweise der Turbine 36, wobei wenig oder überhaupt kein Abgas in den Ansaugkanal 26 rückgeführt wird.
Wie in 2C gezeigt, ist die Drosselvorrichtung 133 vom Gestänge 200 in eine andere Position gedreht worden, in der eine Strömungsmittelverbindung vom Drosselventileinlass 40 zum zweiten Ventilauslass 138 besteht. Die Vorrichtung 133 ist ebenfalls in einer Position gezeigt, in der der veränderliche Strömungswiderstand des Ventils 132 auf einen maximalen Strömungswiderstand gebracht worden ist, der größer ist als der Strömungswiderstand des Turbineneinlasskanals 44. In dieser Position besitzt die Durchflussdrosselvorrichtung 133 einen Strömungswiderstand, der größer ist als der Strömungswiderstand des Turbineneinlass kanals 42, was zur Folge hat, dass der Druck des Abgases in der Leitung 30 auf einen Wert ansteigt, der höher ist als der Wert, der für die Vorrichtung 133 in der in 2B gezeigten Position erreicht wird. Das Abgas am Ventileinlass 40 steht ebenfalls in Strömungsmittelverbindung mit dem zweiten Ventilauslass 138, durch den das Abgas dem EGR-Ventil 34 zugeführt werden kann, oder direkt mit dem Ansaugkanal 26, einem EGR-Kühler (nicht gezeigt) oder einer anderen Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, um den Strom des rückgeführten Abgases zu konditionieren oder zu steuern. Die Durchflussdrosselvorrichtung des Drosselventils 132 kann auch in Positionen verstellt werden, die zwischen den in den 2A, 2B und 2C gezeigten Positionen liegen.
3 zeigt ein Drosselventil 232, bei dem es sich um eine andere Ausführungsform eines Drosselventils handelt. Das Ventil 232 besitzt eine bewegbare Durchflussdrosselvorrichtung 233, bei der es sich um ein Ventilglied vom Schmetterlingstyp handelt. Die Drosselvorrichtung 233 ist in durchgezogenen Linien in einer Position gezeigt, in der der Abgasstrom in den Turbineneinlasskanal 44 wesentlich gedrosselt ist, was zu einem Anstieg des Abgasdrucks in der Leitung 30 führt. Die Drosselvorrichtung 233 ist ferner in gestrichelten Linien in einer Position mit geringerem Strömungswiderstand gezeigt, die zu einem Anstieg des Abgasdrucks in der Leitung 30 führt, der jedoch nicht so groß ist wie der mit der in durchgezogenen Linien gezeigten Position erzielte Anstieg. Die Drosselvorrichtung 233 kann ferner im wesentlichen im Ventil 232 in einer Position minimalen Strömungswiderstandes ausgerichtet sein, die dazu führt, dass das Abgas nur mit einem geringen, wenn überhaupt, Druckabfall über das Ventil 232 in den Turbineneinlasskanal 44 strömt.
Der von den Innenwänden des Drosselventils 232 umgrenzte Durchflussquerschnitt nimmt vorzugsweise vom Querschnittsbereich abstromseitig oder aufstromseitig des Ventils 232 zu, so dass er für den blockierenden Durchflussbereich der Vorrichtung 233 bei Ausrichtung für einen minimalen Strömungswiderstand zu berücksichtigen ist. Durch die Erweiterung des Querschnittsbereiches des Ventils 232 kann etwas Abgas um die Drosselvorrichtung 233 herum strömen, wie in der mit durchgezogenen Linien gezeigten Position dargestellt ist. Die Strömung um die Vorrichtung 233 herum verhindert, dass der Turbineneinlasskanal 44 während des Ventilbetriebes, wenn ein maximaler Strömungswiderstand erforderlich ist, vollständig geschlossen wird. Ein Betätigungshebel 241 ist mit der Drosselvorrichtung 233 verbunden und bildet einen Hebelarm, an dem das Betätigungsgestänge 200 befestigt ist. Das Gestänge 200 betätigt das Ventil 232 in Abhängigkeit von einem Betätigungseingangssignal der Steuereinheit.
4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein EGR-Ventil und ein Drosselventil aufweist. Das Drosselventil 232 ist mit einer Durchflussdrosselvorrichtung 233 gezeigt, die in eine Position minimalen Strömungswiderstandes eingestellt ist. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform des EGR-Ventils handelt es sich um ein Ventil 134, das ein Ventilglied 135 besitzt, welches wahlweise zwischen einer geöffneten und geschlossenen Po sition bewegbar ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ventilglied 135 ein Tellerventil, wie beispielsweise ein Auslasstellerventil einer Brennkraftmaschine. Die vorliegende Erfindung schlägt jedoch auch die Verwendung von anderen Arten von Ventilen vor, die gegenwärtig für die Rückführung von Abgas verwendet werden, und schlägt die Verwendung eines Turbolader-Wastegate-Ventils vor. Vorzugsweise sollte das EGR-Ventil in der Lage sein, in etwa 0,050 sec oder weniger von der geöffneten Position in die geschlossene Position überzugehen.
Das Ventilelement 135 wird von der Feder 137 in die geschlossene Position vorgespannt, wie in 4 gezeigt. Durch die Betätigung des Gestänges 202 wird der Kipphebel 203 verschwenkt, um das Glied 135 in die geöffnete Position zu drücken. Der EGR-Ventil-Einlass 60 steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Drosselventileinlass 40. Wenn das EGR-Ventil 134 geöffnet wird, steht der Ventileinlass 60 in Strömungsmittelverbindung mit dem EGR-Ventil-Auslass 62. Der Ventilauslass 62 steht vorzugsweise in Strömungsmittelverbindung mit einem EGR-Kühler (nicht gezeigt) und ferner in Strömungsmittelverbindung mit dem Ansaugkanal 26. Wenn das Ventil 134 geschlossen ist, ist der Einlass 60 im wesentlichen gegenüber dem Auslass 62 abgedichtet. Das Gestänge 202 betätigt das Ventil 134 in Abhängigkeit von einem Betätigungseingangssignal der Steuereinheit.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Drosselventil unabhängig von der Bewegung des EGR-Ventils wahlweise veränderbar. Wie in 4 gezeigt, kann das Drosselventilbetätigungsgestänge 200 unabhängig vom EGR-Ventilbetätigungsgestänge 202 betätigt werden. Das Drosselventil 232 kann in eine Position verstellt werden, in der mehr als der minimale Strömungswiderstand des Ventils 232 vorhanden ist, so dass der den Einlässen 40 und 60 zugeführte Abgasdruck erhöht wird. Das Ventil 134 wird vorzugsweise geöffnet, wenn der Abgasdruck am Einlass 60 größer ist als der Ansauggasdruck im Ansaugkanal 26. Auch kann das Ventil 134 in der geschlossenen Position gehalten und das Ventil 232 in eine Position bewegt werden, in der eine wesentliche Drosselung stattfindet, so dass der Motor 20 mit einer zusätzlichen Last beaufschlagt wird. Diese zusätzliche Last kann beispielsweise zu verringerten Aufwärmzeiten für einen kalten Dieselmotor führen.
5 zeigt eine Ausführungsform, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet und bei der die Bewegung des Ventilgliedes des EGR-Ventils von der Bewegung der Drosselvorrichtung des Drosselventils abhängt. Beispielsweise wird bei einer Ausführungsform durch die Bewegung des Betätigungsgestänges 200 ein Schwenkhebelarm 204 gedreht. Durch eine Bewegung des Hebelarmes 204 wird eine Drehung der Drosselvorrichtung 233 bewirkt. Ein Ende des Betätigungsgestänges 202' ist gleitend mit dem Hebel 204 verbunden, so dass durch die Drehung der Drosselvorrichtung 233 in eine Position mit beträchtlicher Drosselung der Hebel 204 das Gestänge 202' so unter Druck setzt, dass das Ventilglied 135 mit Hilfe des Kipphebels 203 in die offene Position gebracht wird.
10 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Wastegate-Ventil als EGR-Ventil verwendet wird. Ein EGR-Ventil 140 besitzt ein Ventilglied 142, das wahlweise zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position bewegbar ist. Die offene Position des Gliedes 142 ist gestrichelt dargestellt. Ein Betätigungsgestänge 144, das von einer hydraulischen, pneumatischen, elektrischen oder anderen Kraftquelle betätigt wird, bewirkt, dass das Glied 142 um ein Drehgelenk zwischen einer offenen und geschlossenen Position verschwenkt wird.
Die 6 und 7 zeigen einen Turbolader 36' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Turbolader 36' besitzt eine Lagergehäuseeinheit 56', die eine statische Einheit, wie einen Turbineneinlasskanal 44, einen EGR-Auslass 62, ein Turbinengehäuse 210 und eine Verdichterabdeckung 212, sowie andere statische Lagereinheiten der Turboladereinheit aufweist. Die Turboladereinheit 36' besitzt ferner ein Paar von Betätigungsgliedern zum Betätigen und Betreiben eines Drosselventils und eines EGR-Ventils. Das Betätigungsglied für das Drosselventil hat vorzugsweise ein elektrisches Solenoid 206, das die Zufuhr von Hydraulikmittel zu einem Kolben (nicht gezeigt), der im Zylinder 207 enthalten ist, steuert. Die Zufuhr von Öl zu einer Seite des Kolbens führt dazu, dass der Kolben ein federvorgespanntes Betätigungsgestänge 205 unter Druck setzt und bewegt. Das Solenoid 206 beaufschlagt den Zylinder 207 mit Öldruck, vorzugsweise auf der Basis eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Signals, das am elektrischen Anschluss 206a von einer Steuereinheit empfangen wird.
Bei dem Drosselventil des Turboladers 36' handelt es sich um eine Einheit 332 mit variablen Schaufeln, die am besten in 8 dargestellt ist und eine oder mehrere bewegliche Drosselvorrichtungen aufweist. Die beweglichen Drosselvorrichtungen sind variable Turbineneinlassschaufeln 333, die so drehbar sind, dass sie den Durchflussbereich in die Turbine 46 vergrößern oder verringern. Die Bewegung des Gestänges 205 führt zu einer Bewegung der Durchflussdrosselvorrichtung 333 des Drosselventils 332. Durch Reduzieren und Drosseln des Durchflussbereiches in die Turbine 46 wird der Strömungswiderstand des Turbineneinlasskanals erhöht, was zu einem Anstieg des Abgasdrucks und zu einer Verringerung des Abgasstromes durch die Turbine 46 führt. Vorzugsweise verändern die Drosselvorrichtungen 333 auch den Einfallwinkel der Richtung des Abgases, das die Schaufeln der Turbine 36 beaufschlagt. Durch die Veränderung des Einfallwinkels ist es möglich, die Effizienz der Turbine 36 zu verändern. Ein Abfall der Effizienz der Turbine 36 führt zu einem Anstieg des Abgasdrucks. Das Drosselventil 332 ermöglicht ferner, dass der Rotor 50 während eines gedrosselten Durchflusses auf einer höheren Drehzahl gehalten werden kann, die zu einem verbesserten Übergangsansprechverhalten des Turboladers und der Brennkraftmaschine führt.
Das Lagergehäuse 56' besitzt ferner ein EGR-Ventil zum Rückführen des Abgases unter höherem Druck zum Ansaugkanal 26. Der Turbolader 36' besitzt ein EGR-Ventil 234, das ein Ventilglied 135 aufweist, welches einen Schaft 135a und einen Kopf 135b aufweist, die von einer Rückzugfeder 137 in die geschlossene Position vorgespannt sind. Das Ventilglied 135 kann von einem Kolben 214, der in einem Zylinder 216 gleitet, in die offen Position bewegt werden. Das elektrische Solenoid 208 wird vorzugsweise mit einem pulsbreiten modulierten Signal beaufschlagt, um den Strom des Hydraulikmittels zu einer Seite des Kolbens 214 zu steuern und auf diese Weise zu bewirken, dass sich das Ventilglied 135 in die geöffnete Position bewegt. Im geöffneten Zustand steht der Ventileinlass 60 mit dem Ventilauslass 62, der rückgeführtes Abgas dem Ansaugkanal 26 zuführt, in Strömungsmittelverbindung. Das Drosselventil 332 kann unabhängig von der Einstellung des EGR-Ventils 234 eingestellt werden.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Steuern des Abgasstromes in den Ansaugkrümmer. Wie in 9 gezeigt, steht eine Steuereinheit 100 in elektrischer Verbindung mit einem Betätigungsglied 102 für eine Drosselventil 32 und einem Betätigungsglied 104 für eine EGR-Ventil 34. Die Ventile 32 und 34 können irgendwelche hier beschriebene Ventile oder äquivalente Ventile sein. Vorzugsweise empfängt die Steuereinheit 100 ferner Signale in bezug auf den Zustand der Brennkraftmaschine 20, wie die Drehzahl, Lastanforderung, Ansauggastemperatur u.a.
Die Steuereinheit 100 empfängt ein erstes Signal entsprechend dem Abgasdruck von einem Sensor 106 und ein zweites Signal entsprechend dem Ansauggasdruck von einem zweiten Sensor 108. Bei der Steuereinheit 100 handelt es sich vorzugsweise um eine digitale elektronische Steuereinheit einschließlich eines Speichers und einer Prozesseinheit. Es kann sich jedoch bei der Steuereinheit 100 auch um eine programmierbare logische Steuereinheit oder um eine analoge elektronische Steuereinheit handeln. Die Sensoren 106 und 108 sind von einer für den Fachmann bekannten Bauart, um in Abhängigkeit vom Gasdruck ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Bei den Betätigungsgliedern 102 und 104 handelt es sich vorzugsweise um elektrohydraulische Betätigungsglieder, die ein pulsbreitenmoduliertes elektronisches Signal in einen Hydraulikmittelstrom umwandeln. Es kann sich jedoch bei den Betätigungsgliedern 102 und 104 auch um elektrohydraulische Drehmomentmotoren, elektropneumatische Betätigungsglieder, Elektromotoren, wie Schrittmotoren, oder andere für den Fachmann bekannte Vorrichtungen zum Verändern der Position eines beweglichen Elementes in einem Ventil handeln.
Die Steuereinheit 100 spricht auf ein Abgasdrucksignal und ein Ansauggasdrucksignal zur Betätigung des Ventils 32 und/oder des Ventils 34 für einen speziellen Motorbetriebszustand, der von den Motorsensoren 110 bestimmt wurde, an. Beispielsweise während des Kaltstarts eines Dieselmotors kann die Steuereinheit 100 das Ventil 32 schließen, so dass der Abgasstrom in die Turbine 46 wesentlich gedrosselt und der Rückdruck auf den Motor 20 erhöht wird, um auf diese Weise eine verringerte Aufwärmzeit vorzusehen. Bei einem anderen Beispiel kann während des Betriebes mit einem Spitzendrehmoment das Ventil 32 in eine Position einer erhöhten Drosselung eingestellt werden, bis der vom Sensor 106 ertastete Abgasdruck größer ist als der vom Sensor 108 ertastete Ansauggasdruck. Wenn der Abgasdruck den Ansauggasdruck übersteigt, kann die Steuereinheit 100 das EGR-Ventil 34 öffnen, um die Rückführung von Abgas in den Ansaugkrümmer 24 zu ermöglichen. Die Menge des rückgeführten Abgases kann erhöht werden, indem der Abgasstrom durch das Ventil 32 weiter gedrosselt und auf diese Weise der Abgasdruck erhöht und der Prozentsatz des in den Ansaugkrümmer 24 rückgeführten Abgases vergrößert wird. Ferner kann die Steuereinheit den Durchfluss des rückgeführten Abgases auf einer vorgegebenen Menge halten, indem die Durchflussdrosselvorrichtung so eingestellt wird, dass eine vorgegebene Druckdifferenz über das EGR-Ventil aufrechterhalten wird. Diese vorgegebene Druckdifferenz kann auch dann aufrechterhalten werden, wenn sich der Ansauggasdruck verändert.
Es wurden diverse Ausführungsformen eines Drosselventils 32 und Abgasrückführventils 34 beschrieben. Für den Fachmann ist klar, dass auch andere Ausführungsformen von Ventilen im Abgasrückführsystem 22 kombiniert werden können.

Claims

Abgasrückführsystem (22) für eine Brennkraftmaschine (20), die Abgas erzeugt und Ansauggas aufnimmt, welches aufweist: einen Turbolader (36) zum Erhöhen des Drucks des Ansauggases für die Brennkraftmaschine (20), welcher Turbolader (36) eine Turbine (46) mit einem Einlass (44) und einen Verdichter (52) mit einem Auslass (53) hat; ein Drosselventil (32), das Abgas von der Brennkraftmaschine (20) empfängt und zum Erhöhen des Drucks des Abgases verstellbar ist, welches Drosselventil (32) einen Einlass (40) und einen Auslass (42) hat, von denen der Auslass (42) mit dem Turbineneinlass (44) in Strömungsverbindung steht; ein Abgasrückführventil (34) mit einem Einlass (60), der Abgas von der Brennkraftmaschine (20) empfängt, und einem Auslass (62), der betätigbar ist, um dem Ansauggas der Brennkraftmaschine Abgas zuzuführen, wobei der Einlass (60) des Rückführventils (34) mit dem Einlass (40) des Drosselventils (32) in Strömungsverbindung steht; ein erstes Betätigungsglied (200), das mit dem Drosselventil (32) verbunden ist, um Bewegungen des Drosselventils (32) zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Stellung herbeizuführen, einen Regler, der den Abgasdruck und den Ansauggasdruck überwacht und betreibbar ist, um das Drosselventil zu betätigen und dadurch den Abgasdruck zu erhöhen, so dass der Abgasdruck größer als der Ansauggasdruck ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil aufweist: bewegbare Turbinen-Einlassschaufeln, und ein zweites Betätigungsglied (202), das mit dem Abgasrückführventil (34) verbunden ist, um das Rückführventil (34) zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Stellung zu bewegen, wobei das Drosselventil (32) unabhängig von der Betätigung des Abgasrückführventils (34) betätigbar ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1, bei dem das Abgasrückführventil (34) ferner ein Ventilglied aufweist, wobei das Ventilglied wahlweise zwischen der geöffneten und geschlossenen Stellung bewegbar ist, der Auslass mit dem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine in Strömungsverbindung steht, der Ansaugkanal mit dem Auslass in der geöffneten Stellung in Strömungsverbindung steht, und der Einlass gegenüber dem Auslass in der geschlossenen Stellung im Wesentlichen verschlossen ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Turbolader (36) ferner ein Abstützgehäuse (56) aufweist, und die Turbine (46), das Gehäuse, das Drosselventil (32) und das Abgasrückführventil (34) innerhalb des Abstützgehäuses (56) gemeinsam abgestützt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abgasrückführventil (34) ein Tellerventil umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abgasrückführventil (34) ein Wastegate-Ventil umfasst.