AT500540A1 - Diesel-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem lastunabhängig durch einen Vorhubnocken gesteuerten internen Abgasrückführsystem.

Abgasrückführsysteme in bestimmten Klassen von Nutzfahrzeug- und Industriemotoren sollten möglichst einfach, robust und kostengünstig aufgebaut sein und daher ohne aufwendige Betätigungsmechanismen (z. B. ohne variablen Ventiltrieb oder elektronischer Kennfeldsteuerung oder dergleichen) auskommen. Auf der einen Seite sollten diese Abgasrückführsysteme die Abgasrückführrate bei niedriger Motordrehzahl möglichst klein halten, um das Ansprechverhalten und das Anfahrdrehmoment des Motors nicht zu verschlechtern. Auf der anderen Seite sollen die Abgasrückführrate in den relevanten Betriebspunkten des Emis-sionszykluses (z. B. bei mittlerer und höherer Motordrehzahl/hoher Last) möglichst groß gehalten werden, um die geforderte NOx-Reduktion im Emissionszyklus zu erreichen.

Aus der WO 03/040540 Al ist eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einer nockengesteuerten internen Abgasrückführung bekannt. Nockengesteuerte interne Abgasrückführsysteme liefern im gesamten Kennfeldbereich relativ konstante Abgasrückführraten, können aber wegen ihrer einfachen, kostengünstigen Bauweise nicht abgeschaltet werden. Der Verlauf der Abgasrückführmenge über der Drehzahl kann durch geeignete Form und Lage des Vorhubnockens günstig beeinflusst werden, allerdings sind der Beeinflussung der Abgasrückführraten Grenzen gesetzt, und es müssen Kompromisse eingegangen werden.

Einfache, externe Abgasrückführsysteme wiederum können nur dann Abgas rückführen, wenn der Abgasgegendruck vor der Abgasturbine höher ist als der Ladedruck im Einlasssammler der Brennkraftmaschine. Für Nutzfahrzeuge ergibt sich hier allerdings bei mittlerer Motordrehzahl und hoher Motorlast das Problem, dass aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse kein Abgas rückgeführt werden kann.

Aus der JP 03-085362 A ist eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem internen und einem externen Abgasrückführsystem bekannt. Zur Durchführung der internen Abgasrückführung ist sowohl im Auslasstrakt, als auch im Einlasstrakt eine Absperrklappe vorgesehen, so dass die interne Abgasrückführung durch Kontraktion der Einlassluft bzw. der Abgase erfolgen kann. Die Klappen und das Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung werden so gesteuert, dass interne Abgasrückführung bei niedriger Drehzahl und niedriger Last und externe Abgasrückführung in den übrigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine durchge- J" • ♦ • · ······· · t · • · ··· · • ·♦ · · ♦ ·· » *“ 4 “ führt wird. Diese Art der Steuerung der Abgasrückführung erfordert allerdings einen erheblichen steuerungstechnischen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es bei einer Diesel-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise in allen Motorlast- und Drehzahlbereichen ausreichend hohe Abgasrückführraten zu gewährleisten und insbesondere im Beschleunigungsbetrieb Rauchemissionsspitzen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wir dies dadurch erreicht, dass zusätzlich ein externes Abgas-rückführsystem mit einem lastabhängig über eine Steuerleitung steuerbaren Abgasrückführventil vorgesehen ist, wobei in der Steuerleitung ein Verzögerungsglied angeordnet ist.

Wesentlich ist, dass das interne und externe Abgasrückführsystem einfachste Steuerungsmittel verwendet. Das rein mechanische interne Abgasrückführsystem kann moderat ausgelegt werden, so dass sich im mittleren Drehzahlbereich ausreichend hohe Abgasrückführraten ergeben und bei niedriger Drehzahl fast kein Abgas rückgeführt wird.

Die gewünschte steigende Abgasrückführrate bei hoher Drehzahl ergibt sich durch geeignete Auswahl der Abgasleitungsdurchmesser des externen Abgasrückführsystems in einem weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine durch die vorherrschenden Druckverhältnisse von selbst. Eine aktive Steuerung der externen Abgasrückführrate wird nur im niedrigen Teillastbetrieb und im Transientbetrieb benötigt.

Durch das zeitliche Verzögerungsglied in der Steuerleitung werden im transienten Betrieb zu hohe Abgasrückführraten vermieden, welche Ruß-Emissionsspitzen erzeugen würden.

Das zeitliche Verzögerungsglied kann mechanischer Natur sein, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Steuerleitung eine pneumatische Steuerdruckleitung ist und das mechanische Verzögerungsglied einen Druckbehälter aufweist. Am Eintritt der Steuerdruckleitung ist eine Blende vorgesehen. Die Steuerdruckleitung ist entweder mit dem Einlasssammler, oder mit einer Vakuumpumpe verbunden. Durch die Blende wird der Behälter erst langsam gefüllt bzw. langsam entleert, wodurch der Schaltdruck für das Abgasrückführventil erst mit Zeitverzögerung auf- bzw. abgebaut wird. Somit werden Rauchemissionen im Beschleunigungsbetrieb durch zu große Abgasrückführmengen wirksam vermieden.

Die Vakuumpumpe kann mechanisch durch die Brennkraftmaschine oder auch elektrisch angetrieben sein. • · ·· · ··· • · ·····«· · ·» • · · · t · · · <| * · # ·· · ·· ·!“,}

In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vakuumpumpe in Anhängigkeit der Stellung der Einspritzpumpe schaltbar ist. Ein mechanischer Schalter an der Einspritzpumpe schaltet je nach Einspritzpumpenstellung Unterdrück auf die Steuerleitung des Abgasrückführventils. Der Unterdrück öffnet das Abgasrückführventil. Um die Schaltzeit des Abgasrückführsystems im transienten Beschleunigungsvorgang zu verzögern, ist auch hier wieder ein Druckbehälter als mechanisches Verzögerungsglied vorgesehen, wobei der Druckbehälter durch die Vakuumpumpe auf Unterdrück gebracht wird.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass das Abgasrückführventil über eine elektrische Steuerleitung mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden und über diese direkt elektrisch in Anhängigkeit der Last schaltbar ist. In diesem Falle ist auch das Zeitverzögerungsglied elektrischer Art und kann direkt in die elektronische Steuereinheit integriert sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Diesel-Brennkraftmaschine in schematischer Ansicht, Fig. 2 die Druckverhältnisse im Einlasssammler und vor der Turbine, Fig. 3 die Abgasrückführraten des erfindungsgemäßen kombinierten Abgasrückführsystems im Vergleich zu internen Abgasrückführsystemen und Fig. 4 ein Verdichterkennfeld mit Motorbetriebslinien.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 in einem schematischen Blockschaubild. Die Diesel-Brennkraftmaschine 1 weist zumindest einen Zylinder 2, ein Einlasssystem 3, ein Auslasssystem 4, ein internes Abgasrückführsystem 5 und ein externes Abgasrückführsystem 6 auf. Mit Bezugszeichen 7 ist ein Abgasturbolader mit einem Verdichter 8 im Einlassstrang 9 und einer Turbine 10 im Abgasstrang 11 bezeichnet. Die Turbine 10 kann übereine Bypassleitung 12 umgehbar sein. Die Einlassluft gelangt über den Luftfilter 13 in den Einlassstrang 9, wird durch den Verdichter 8 komprimiert und einem Zwischenkühler 14 zugeführt, über welchen die komprimierte Einlassluft in den Einlasssammler 15 strömt. Vom Einlasssammler 15 gelangt die Ladeluft über Einlasskanäle 16 und nicht weiter dargestellte Einlassventile in die Zylinder 2.

Das Abgas strömt aus den Zylindern 2 über nicht weiter dargestellte Auslassventile und Auslasskanäle 17 in den Auslassstrang 11. vom Auslassstrang 11 zweigt stromaufwärts der Turbine 10 die Abgasrückführleitung 18 des externen Abgasrückführsystems 6 ab, wobei in der Abgasrückrührleitung 18 ein Abgasrückführkühler 19 angeordnet sein kann.

Zur Steuerung der externen Abgasrückführung ist in der Abgasrückführleitung 18 ein Abgasrückführventil 20 angeordnet. Das Abgasrückführventil 20 wird vorteil- ό Ί • · ·· · ··· • · ···«··· · «· hafter Weise pneumatisch über eine als Steuerdruckleitung 21 ausgebildete Steuerleitung 22 betätigt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerdruckleitung 21 mit dem Einlasssammler 15 strömungsverbunden und wird somit durch den Ladedruck nach dem Verdichter 8, und zwar durch den Druck im Einlasssammler 15 gesteuert. Um die Schaltzeit des externen Abgasrückführsystems 6 im transienten Beschleunigungsvorgang zu verzögern, ist in der Steuerdruckleitung 21 ein mechanisches Verzögerungsglied 23 vorgesehen, welches in einfacher Weise durch einen Druckbehälter 24 ausreichender Größe und einer als Blende ausgebildeten Drossel 25 am Eintritt der Steuerdruckleitung 21 in den Behälter 24 besteht. Durch diese Drossel 25 wird der Druckbehälter 24 langsam gefüllt und der Schaltdruck für das Abgasrückführventil 20 erst mit Zeitverzögerung aufgebaut. Somit werden Rauchemissionen im Beschleunigungsbetrieb durch zu große Abgasrückführmengen verhindert.

Alternativ dazu kann das Abgasrückführventil 20 auch durch Unterdrück geschalten werden, welche über eine Vakuumpumpe 26 erzeugt wird, wie in Fig. 1 durch punktierte Linien angeordnet ist. Die Vakuumpumpe 26 wird dabei entweder durch eine elektronische Steuereinheit oder - besonders einfach - durch einen mechanischen Schalter an der Einspritzpumpe geschalten, welcher je nach Einspritzpumpenstellung Unterdrück auf die Steuerleitung des Abgasrückführventils schaltet. Der Unterdrück öffnet das Abgasrückführventil 20. Die Vakuumpumpe 26 kann entweder von der Brennkraftmaschine oder elektrisch angetrieben werden. Um die Schaltzeit des externen Abgasrückführsystems 6 im transienten Beschleunigungsvorgang zu verzögern, ist auch hier wieder ein mechanisches Verzögerungsglied 23 zwischen Vakuumpumpe 26 und Abgasrückführventil 20 vorgesehen, wobei der Druckbehälter 23 durch die Vakuumpumpe 26 auf Unterdrück gebraucht wird.

Alternativ zu einem pneumatisch betätigten Abgasrückführventil 20 ist auch ein elektrisch geschaltenes Abgasrückführventil einsetzbar. Der Schaltvorgang und die Zeitverzögerung erfolgt dabei elektrisch über eine elektronische Steuereinheit.

Das interne Abgasrückführsystem 5 ist nockengesteuert, wobei der Verlauf der Abgasrückführmenge über der Drehzahl durch geeignete Form und Lage eines Vorhubnockens des Einlassnockens optimiert wird. Einlassnocken und Vorhubnocken sind starr mit der Nockenwelle verbunden. Um die Diesel-Brennkraftmaschine so einfach und robust wie möglich zu gestalten, ist keine Nockenwellenverstelleinrichtung vorgesehen. Somit wird während des Auslasstraktes unabhängig von der Last und Drehzahl zumindest ein Einlassventil durch den Vorhubnocken um einen konstanten Wert geöffnet. Das interne Abgasrückführsystem 5 kann dabei moderat ausgelegt werden, so dass sich im mittleren Drehzahlbereich

J • · ·· · ··· • · ······« · ·· • ♦ · · · · · · ι • ♦ · ·· · · * · · ” 9 ausreichend hohe Abgasrückführraten ergeben und bei niedriger Drehzahl fast kein Abgas rückgeführt wird. Um bei mittlerer und hoher Motordrehzahl eine deutliche NOx-Reduktion zu erreichen, wird ab einer vordefinierten Motordrehzahl, welche im Wesentlichen durch die Druckverhältnisse im Einlasssammler 15 und vor der Turbine 10 definiert wird, zusätzliches Abgas durch das externe Abgasrückführsystem 6 zugeführt. Die gewünschte steigende Abgasrückführrate bei hoher Drehzahl n ergibt sich durch die geeignete Auswahl der Durchmesser der Abgasrückführleitung 18 des externen Abgasrückführsystems 6 in einem weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 durch die vorherrschenden Druckverhältnisse von selbst, wie in Fig. 2 und 3 angedeutet ist.

In Fig. 2 ist der Druck pA im Auslassstrang 11 vor der Turbine 10 und der Druck pE im Einlasssammler 15 über der Motordrehzahl n aufgetragen. Mit EGRext ist der Bereich der externen Abgasrückführung vom Abgasstrang 11 zum Einlasssammler 15 bezeichnet. Bei hoher Motorlast kann verdichtete Ladeluft über das aktivierte externe Abgasrückführsystem 6 aus dem Einlasssammler 15 vor der Turbine 10 gefördert werden, wenn der Druck pA vor der Turbine 10 geringer ist als der Druck pE im Einlasssammler 15 (niedrige und mittlere Motordrehzahl n je nach Motorgröße). Dieser Bereich ist mit R in Fig. 2 dargestellt. Dieser Effekt ist durchaus wünschenswert, da dadurch die Betriebspunkte P1# P2 im in Fig. 4 dargestellten Verdichterkennfeld bei niedriger und mittlerer Motordrehzahl n in Richtung hoher Massenströme M zum Wirkungsgradoptimum des Verdichters 8 verschoben werden. Bei hoher Motordrehzahl n werden durch die stark steigende Abgasrückführmenge die Betriebspunkte P3, P4, P5 im Verdichterkennfeld in Richtung niedriger Massenströme M verschoben und liegen wieder nahe dem Wirkungsgradoptimum OPT des Verdichters 8. Im in Fig. 4 dargestellten Verdichter-Ähnlichkeitskennfeld ist das Druckverhältnis PR über dem korrigierten Förderstrom M aufgetragen. Bezugszeichen S bezeichnet die Pumpgrenze, Bezugszeichen OPT stellt den Bereich mit bestem Wirkungsgrad dar. Im Kennfeld ist mit Linie A der Betrieb ohne externer Abgasrückführung, mit Linie B der Betrieb mit externer Abgasrückführung eingezeichnet. Deutlich ist ersichtlich, dass die Betriebspunkte Pi# P2, P3, P4/ P5 im Verdichterkennfeld stets in Richtung des Wirkungsgradoptimums OPT verschoben werden.

Weiters erleichtert die stark steigende Abgasrückführmenge EGR über der Drehzahl n den Einsatz von ungeregelten Turbinen 10, da der Massenstrom durch die Turbine 10 um die Abgasrückführmenge EGR reduziert wird.

In Fig. 3 sind die Abgasrückführraten EGR über der Motordrehzahl n für verschieden ausgelegte interne Abgasrückführsysteme, welche durch die Linien C, D, E, F angedeutet sind, und für kombinierte interne und externe Abgasrückführung G dargestellt. Durch die Lage und die Form des Vorhubnockens, des Ein- lassnockens kann zwar der Verlauf der internen Abgasrückführmenge über der Drehzahl n günstig geformt werden, allerdings sind der Beeinflussung der Abgasrückführraten insbesondere bei hoher Drehzahl Grenzen gesetzt. Noch höhere Abgasrückführraten bei hoher Drehzahl lässt sich nur die durch die Kurve G angedeutete kombinierte interne und externe Abgasrückführung erreichen.

Claims (11)

1. • · ·· · ··· • · · ··· ··· · «· • ♦ · · · · t · *· • · · · * · ·· · ·” m ANSPRÜCHE 1. Diesel-Brennkraftmaschine (1) mit einem lastunabhängig durch einen Vorhubnocken gesteuerten internen Abgasrückführsystem (5), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein externes Abgasrückführsystem (6) mit einem lastabhängig über eine Steuerleitung (22) steuerbaren Abgasrückführventil (20) vorgesehen ist, wobei in der Steuerleitung (22) ein Verzögerungsglied (23) angeordnet ist.
2. 2. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (23) ein mechanisches Verzögerungsglied ist.
3. 3. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitung (22) eine pneumatische Steuerdruckleitung (21) ist und das mechanische Verzögerungsglied einen Druckbehälter (24) aufweist.
4. 4. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Eintritt der Steuerdruckleitung (21) in den Druckbehälter (24) eine Drossel (25), vorzugsweise Blende, angeordnet ist.
5. 5. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdruckleitung (21) mit einem Einlasssammler (15) strömungsverbunden ist.
6. 6. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdruckleitung (21) mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, welche in Abhängigkeit der Last der Diesel-Brennkraftmaschine (1) schaltbar ist.
7. 7. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe mechanisch durch die Diesel-Brennkraftmaschine (1) antreibbar ist.
8. 8. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe elektrisch antreibbar ist.
9. 9. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einer Einspritzpumpe zur Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe in Anhängigkeit der Stellung der Einspritzpumpe schaltbar ist. • · · ♦ ··* Μ· · ·· • · t ·
10. 10. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverzögerungsglied (23) ein elektrisches oder elektronisches Zeitverzögerungsglied ist.
11. 11. Diesel-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (20) über eine elektrische Steuerleitung mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden und über diese direkt elektrisch in Anhängigkeit der Last schaltbar ist.

    Tel.: (+43 1) 892 89 33-0 Fsx: ;->« 1 ‘ 5¾ ® 333 »-tflsif: nstsntftb.'ibfiöik.ei 2003 10 23 Fu/Ki/Sc