WO2009059923A2 - Brennkraftmaschine mit einem einlasssystem und einem auslasssystem - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem einlasssystem und einem auslasssystem Download PDF

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation system arranged between an intake and an exhaust system with at least one EGR line branching from the exhaust system upstream of an exhaust gas turbocharger of an exhaust gas turbocharger, wherein at least one EGR cooler is arranged in the EGR line, at least one first EGR Cooler is designed as an exhaust gas / exhaust gas heat exchanger with at least one EGR flow path and at least a first coolant flow path, which first coolant flow path downstream of the exhaust gas turbine is connected to the exhaust system.
  • the invention further relates to an internal combustion engine having an intake system and an exhaust system, wherein the exhaust system is connected to the intake system via at least one exhaust gas recirculation line entering an intake pipe, and wherein the intake pipe has a mixing device for mixing the recirculated exhaust gas with the supplied fresh air.
  • US Pat. No. 7,210,468 B1 discloses an internal combustion engine having an exhaust system between an intake branch and an exhaust branch, wherein an exhaust gas / exhaust gas heat exchanger is arranged in the EGR line, in which the cool exhaust gas downstream of an exhaust gas turbine is used as cooling medium.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • JP 2007-255358 A discloses an internal combustion engine having an EGR system and a catalyst arranged in exhaust passage downstream of an exhaust gas turbine.
  • the catalyst has a cooling jacket through which the recirculated exhaust gas flows. This is intended to improve the regeneration behavior of the catalyst.
  • the cooled exhaust gas in a homogeneous mixture with fresh air reduces the combustion temperature. This reduces the proportion of nitrogen oxide in the exhaust gas.
  • optimal nitrogen oxide reduction can only be achieved with multi-cylinder internal combustion engines if the recirculated exhaust gas quantities are distributed equally among all cylinders. To achieve this, good mixing of the fresh air with the recirculated exhaust gas is necessary.
  • DE 100 07 243 C1 describes an exhaust gas recirculation device with a mixing device.
  • the exhaust gas recirculation line opens via an outlet opening or admixing opening in a fresh air line, wherein in the region of the inlet A swirl-generating element and / or a turbulence generating element is provided in the mixing opening of the admixing device.
  • a swirl-generating element and / or a turbulence generating element is provided in the mixing opening of the admixing device.
  • Another disadvantage is that increases the number of parts by the admixing and the flow resistance in the fresh air line is adversely affected.
  • JP 2000-161148 A and JP 2004-232617 A disclose an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine, wherein the exhaust gas recirculation line opens tangentially into an inlet line via two outlet openings. This creates a swirling inflow of recirculated exhaust gas.
  • the disadvantage is that the mixing success depends strongly on the flow rate of the recirculated exhaust gas, with small flow velocities of the exhaust gas turbulence is too low to achieve a good mixing with the core zone of the fresh air, since the exhaust predominantly applies to the surfaces of the fresh air line ,
  • JP 2001-200770 A an intake system for an internal combustion engine with V-shaped cylinders is known, wherein the inlet line communicates with a resonator volume.
  • the connection opening of the inlet line with the resonator volume is arranged upstream of an opening of an exhaust gas recirculation line, wherein an exit from an exhaust gas recirculation collector is provided for each cylinder bank.
  • the object of the invention is, starting from an internal combustion engine of the type mentioned, to improve the cooling of the recirculated exhaust gas, without bringing additional heat in the coolant system of the vehicle.
  • Another object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to achieve the simplest possible structural way, a thorough mixing of the recirculated exhaust gas with the fresh air at minimum pressure losses. Cross-section-reducing internals of any kind should be avoided.
  • this is achieved in that, for cooling the recirculated exhaust gas, at least one second coolant, which is connected to a cooling air line, is provided. telströmungsweg is provided, wherein preferably the second coolant flow path is at least partially integrated into the first EGR cooler.
  • the first and second coolant flow paths may act sequentially or in parallel on the EGR flow path.
  • the first coolant flow path is formed by a plurality of parallel first cooling channels, which are flowed around by the recirculated exhaust gas to be cooled.
  • Optimum cooling of the recirculated exhaust gas can be achieved if the preferably multi-flow EGR flow path is guided with respect to the first cooling channels according to the crossflow principle, preferably according to the cross-direct current principle.
  • Additional cooling effects may be achieved when the second coolant flow path is formed by a flow skirt surrounding the EGR flow path and the first cooling channels, preferably the second coolant flow path with respect to the first cooling channels and / or the main direction of the EGR flow path according to the DC principle is guided.
  • a very compact design can be realized when the EGR flowpath entries of the first and second coolant flowpaths in the region of a first end of the exhaust gas / exhaust heat exchanger and the EGR flowpath, first coolant flowpath, and second coolant flowpaths are in the range of second end of the exhaust / exhaust heat exchanger are arranged.
  • a blower is provided for conveying the cooling air through the second coolant flow path.
  • the recirculated exhaust gas can thus be additionally cooled by engine compartment air without additional heat enters the cooling center I system of the vehicle.
  • the guidance of the heated cooling air of the second cooling air flow path can take place upstream and / or downstream of the first EGR cooler in a double-walled tube of the outlet system. As a result, space can be saved and the heated cooling air can be used for heating and for flushing an exhaust aftertreatment device.
  • At least one second EGR cooler which preferably flows through the engine cooling medium, is arranged in the EGR line in series with the first EGR cooler, wherein preferably the first EGR cooler forms an EGR precooler. Furthermore, an improvement in the cooling of the recirculated exhaust gas can be achieved if at least a third EGR cooler is arranged in the EGR line, wherein preferably the third EGR cooler is connected downstream of the second EGR cooler.
  • Simple mixing of the recirculated exhaust gas with fresh air can be achieved in that the mixing device is formed by at least one resonator volume branched off from the inlet line, the connection of the resonator volume being arranged downstream of the mouth of the exhaust gas recirculation line into the inlet line.
  • the resonator volume is arranged directly adjacent to the mouth of the exhaust gas recirculation line, wherein the distance between the resonator volume and the mouth can correspond to half the hydraulic diameter of the exhaust gas recirculation line.
  • the exhaust gas recirculation line which opens transversely into the inlet line, produces a detachment bladder, which is reinforced by the resonator volume and effects improved mixing with the core zone of the fresh air. It is particularly advantageous if the transition between the inlet line and the connection to the resonator volume is formed as sharp as possible.
  • the detachment method can be selectively influenced by a defined radius between the inlet line and the connection to the resonator volume. On the other hand, a defined radius also meets the casting requirements. Manufacturing or strength-related radii tend to require larger resonator volume and smaller distances between the resonator volume and the mouth of the exhaust gas recirculation line.
  • the reinforced separation bubble leads to increased turbulence in the region of the resonator volume, resulting in a particularly high mixing of the recirculated exhaust gas with the fresh air.
  • connection to the resonator volume is arranged in a straight mixing section of the inlet line.
  • a spatially curved inlet pipe can a transverse to the axis of the inlet pipe inclined exhaust gas recirculation line of the Entmischungstendenz counteract according to density difference (fresh air / exhaust gas) under centrifugal effect especially in the region of the mouth of the exhaust gas recirculation line.
  • a further potential for improvement in curved inlet lines allows a lateral offset of the resonator volume and / or the mouth of the exhaust gas recirculation line to one another or out of the center plane and corresponding combinations.
  • the exhaust gas recirculation line may have an asymmetrical cross-section with respect to one of its center plane containing the axis of the exhaust gas recirculation line.
  • the resonator volume can be shaped substantially cylindrically. It is particularly favorable if the resonator volume essentially has an oval cross-section, the axial ratio of which is preferably a ratio 2: 1 with the longer axis transverse to the direction of the axis of the inlet line. In this case, the resonator volume can also have an asymmetrical cross-section with respect to its center plane. Furthermore, it is advantageous if the depth of the resonator volume also corresponds at least to the hydraulic diameter of the exhaust gas recirculation line.
  • the ideal relative size of the resonator volume decreases with the mass flow ratio of the recirculated exhaust gas to the fresh air.
  • An engine-specific optimum must be found for each internal combustion engine according to the needs of combustion over several operating points through numerous simulation runs.
  • the inlet line has several openings of exhaust gas recirculation lines, wherein the openings can be offset in the circumferential direction or spaced apart from one another in the flow direction.
  • a resonator volume can be provided to achieve optimal mixing per mouth.
  • FIG. 1 shows the internal combustion engine according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 2 an exhaust gas / exhaust gas heat exchanger from FIG. 1 in an oblique view;
  • FIG. 2 an exhaust gas / exhaust gas heat exchanger from FIG. 1 in an oblique view;
  • FIG. 5 shows the exhaust gas / exhaust gas heat exchanger in an exhaust gas outlet side view
  • FIG. 7 shows the exhaust gas / exhaust gas heat exchanger in a section according to the line VII-VII in FIG. 4;
  • FIG. 8 shows the exhaust gas / exhaust gas heat exchanger in a section according to the line VIII-VIII in FIG. 4;
  • FIG. 10 shows the exhaust gas / exhaust gas heat exchanger in a section according to the line X-X in FIG. 6;
  • FIG. 11 shows the exhaust gas / exhaust gas heat exchanger in a further section according to the line XI-XI in FIG. 6;
  • FIG. 12 shows a further internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 14 shows the inlet line in a section according to the line XIV-XIV in FIG. 13 in a first embodiment variant
  • FIG. 15 shows the inlet line in a section according to the line XIV-XIV in FIG. 13 in a second embodiment variant
  • FIG. 16 shows the inlet line in a section according to the line XIV-XIV in FIG. 13 in a third embodiment variant
  • FIG. 17 shows the inlet line in a section according to the line XVII-XVII in FIG. 13 in a variant embodiment
  • FIG. and 18 the inlet line in a section along the line XVII - XVII in Fig. 13 in another embodiment.
  • the engine 1 having a plurality of cylinders Cl, C2, C3, C4, C5, C6 has an intake system 2 including an intake manifold 3 and an exhaust system 4, and an exhaust gas recirculation (EGR) system 5.
  • the exhaust gas turbines 7, 8 of a first exhaust gas turbocharger 9 or a second turbocharger 10 are arranged in the outlet branch 6 of the exhaust system.
  • the EGR system 5 has an EGR conduit 11 which branches off from the exhaust manifold 12 upstream of the exhaust gas turbines 7, 8 and which into the intake manifold 13 of the intake system 2 downstream of the compressors 14, 15 of the first and second exhaust gas turbochargers 9, 10, respectively opens.
  • a compressed-air-operated valve for regulating and shutting off the EGR flow is provided in the EGR line 11, for example.
  • Reference symbols 19 and 20 designate charge air coolers arranged in the intake line 13. With 21, a coolant radiator is designated.
  • the first EGR cooler 16 is designed as an exhaust gas / exhaust gas heat exchanger for a first and a second cooling medium, wherein the first cooling medium is formed by the exhaust gas flow downstream of the second exhaust gas turbine 8 and the second cooling medium by cooling air, for example from the engine compartment.
  • the first EGR cooler 16 has an EGR flow path 26 with inlets 22 and outlets 23, wherein in the embodiment, the EGR flow path 26 is bifurcated through the first EGR cooler 16.
  • the two flows of the EGR flow path 26 are designated 26a and 26b.
  • the first EGR cooler 16 may also be single-flow.
  • the first EGR cooler 16 has a first coolant flow path 25 formed by first cooling channels 24, wherein the first cooling channels 24 are arranged parallel to one another in the direction of the longitudinal axis 16a of the first EGR cooler 16.
  • the EGR flow path 26 and the first coolant flow path 25 are arranged according to the cross-flow principle in particular according to the cross-DC principle to each other.
  • the EGR flow path 26 flows around the first cooling channels 24 formed in the exemplary embodiment by square tubes, wherein the EGR flow is guided meandering through baffles 27 through the first EGR cooler 16 - transverse to the first coolant flow path 25.
  • the first EGR cooler 16 has a cooling jacket 29 which forms a second coolant flow path 28 and which corresponds to the first coolant flow. surrounds 25 and the EGR flow path 26 having space 40. Guide elements 30 are arranged in the cooling jacket 29, as clearly shown in FIG. 3, in which the EGR cooler 16 is shown without an outer housing. As a result, the residence time of the cooling air in the cooling jacket 29 can be increased.
  • the cooling air forming the second coolant flows from a cooling air line via a lateral inlet 31 into the cooling jacket 29 and leaves the cooling chamber 29 again via axial outlets 32 into the hollow cylindrical channel 41 of a double-walled tube 42 of the outlet system 4.
  • the two flows 26 a, 26 b of the EGR flow path 26 are separated from one another by a wall 33.
  • the recirculated exhaust gas inlets 22, the cooling air inlet 31 and the first cooling medium formed by cool exhaust are arranged in the vicinity of a first end 35 of the first EGR cooler 16.
  • the outlets 23 for the recirculated exhaust gas, the outlets 32 for the cooling air, and the radial outlet 36 for the first cooling medium are arranged in the region of a second end 37 of the first EGR cooler 16.
  • the EGR flow is thus optimally cooled by the cool exhaust gas downstream of the second exhaust gas turbine 8 and by the cooling air.
  • the cooling air is fed via a blower 38 to the second coolant flow path 28.
  • the cooling of the recirculated exhaust gas by cool exhaust gas from the exhaust system 4, as well as by cooling air from the engine compartment has the advantage that an additional heat input is avoided in the coolant system of the vehicle.
  • the "cold" exhaust gas of the exhaust system 4 is heated prior to entering an exhaust aftertreatment system 39, which improves the response of the exhaust aftertreatment system 39.
  • the exhaust gas loses in the exhaust gas turbine 7, 8
  • the exhaust gas at the outlet of the second exhaust gas turbine 8 has a temperature of about 350 ° C. This temperature gradient is sufficient to supply the exhaust gas to be recirculated cool.
  • the fan 38 for increasing the flow velocity of the cooling air can be driven electrically, mechanically or hydraulically.
  • a targeted removal of the warm exhaust air from the engine compartment, for example via a pipe or - as shown - in the hollow cylindrical channel 41 of a double-walled pipe 42 of the exhaust system 4, is advantageous in order to avoid heat build-up.
  • the hot exhaust air can be used in an exhaust gas purification plant (eg for urea treatment or the like).
  • the exhaust gas after the last turbine stage, especially in partial load operation already so cool that the temperature for the emission control system is not sufficient.
  • the exhaust gas possibly by switching off the engine compartment air cooling means of the recirculated exhaust gas can be used to sufficiently high temperatures.
  • the dual-flow exhaust gas recirculation is in certain cylinder configurations, for example, in a series engine with six cylinders advantage to use gas pulses can.
  • FIGS. 2 to 8 show an embodiment in which the first and second coolant flow paths 25, 28 integrated with the first EGR cooler 16 act in parallel on the EGR flow path 26. For reasons of space or for thermodynamic reasons, it may also be favorable to arrange the first and the second coolant flow paths 25, 28 in succession with respect to the EGR flow path 26.
  • FIG. 12 shows an internal combustion engine 101 with an intake system 102 and an exhaust system (not shown in more detail), which is connected via at least one exhaust gas recirculation line 103 to an intake line 104.
  • the cylinders of the internal combustion engine 101 are designated.
  • each cylinder Z1 to Z5 has two inlet openings 105 communicating with the inlet system 102 and two outlet openings 106 connected to the outlet system.
  • the curved executed inlet line 104 has between a bend 112 and an intake manifold 113 to a mixing section 109, which is carried out in the embodiment approximately straight.
  • a means 108 formed by a resonator volume 107 for mixing the recirculated exhaust gas 111 with supplied fresh air 110 is provided downstream of the mouth 103a of the exhaust gas recirculation line into the inlet line 104.
  • 107a designates a connection between the resonator volume 107 and the inlet line 104.
  • the distance a between the orifice 103a and the communication opening 107a of the resonator volume 107 is approximately half the hydraulic diameter d hEGR of the exhaust gas recirculation line 103.
  • the exhaust gas recirculation line 103 opens approximately transversely to the axis 104 'of the inlet line 104 in this.
  • a detachment bubble is formed, which is amplified by the resonator volume 107 arranged downstream of the orifice 103a.
  • a region 114 with increased turbulence is formed in the region of the resonator volume 107 in the inlet line 104, as indicated by the arrows 109a.
  • This turbulence intensifies the thorough mixing of the recirculated exhaust gas 111 with the fresh air 110, whereby an optimal mixing between the fresh air 110 and the recirculated exhaust gas 111 takes place in the straight mixing section 109 before it enters an intake manifold 112 following the straight mixing section 109.
  • the ideally homogeneous exhaust gas / fresh air mixture 115 is divided equally between the individual cylinders Z1, Z2, Z3, Z4, Z5. In this case, only minimal pressure losses occur due to the additional turbulence, which are significantly lower compared to the pressure losses that - to achieve similar mixing quality - would occur using the fresh air flow obstructing internals.
  • the exhaust gas recirculation line 103 in the region of the bend 112, the exhaust gas recirculation line 103 at an angle ⁇ of up to 70 ° - with respect to a median plane ⁇ of the inlet line 104 - in this open (Fig. 16).
  • the center of the orifice 103a can be offset by a distance b from the center plane ⁇ spanned by the axis 112 'of the arch 112 (FIG. 15).
  • the resonator volume 107 arranged downstream of the mouth 103a can also be arranged offset in the same manner as the mouth 103a with respect to the center plane ⁇ of the inlet line 104, as shown in FIG.
  • the mouth 103a of the exhaust gas recirculation line tion 103 and the resonator 107 are thus - as viewed in the flow direction S - arranged in alignment one behind the other.
  • At least one further opening 103a 1 of an exhaust gas recirculation line 103 'can furthermore be provided, as indicated in FIG. 14 by dashed lines.
  • the orifices 103a, 103a 'can be arranged in a normal plane on the longitudinal axis 104' offset in the circumferential direction at the inlet channel 104.
  • each orifice 103a, 103a 1 of the exhaust gas recirculation line 103, 103 'a resonator volume 107, 107' is arranged, wherein the resonator volume 103, 103 'in the same manner as the orifices 103a, 103a 'can be arranged in a normal plane on the longitudinal axis 104' in the circumferential direction offset on the inlet channel 104, as shown in FIG. 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem zwischen einem Ein- und einem Auslasssystem (2, 4) angeordneten Abgasrückführsystem (5) mit einer stromaufwärts einer Abgasturbine (7, 8) zumindest eines Abgasturboladers (9, 10) vom Auslasssystem (4) abzweigenden EGR-Leitung (11), wobei in der EGR-Leitung (11) zumindest ein EGR-Kühler (16) angeordnet ist, wobei zumindest ein erster EGR-Kühler (16) als Abgas/Abgas-Wärmetauscher mit einem EGR-Strömungsweg (26) und einem ersten Kühlmittelströmungsweg (25) ausgebildet ist, welcher erste Kühlmittelströmungsweg (25) stromabwärts der Abgasturbine (7, 8) an das Auslasssystem (4) angeschlossen ist. Um die Kühlung des rückgeführten Abgases zu verbessern, ohne zusätzliche Wärme in das Kühlmittelsystem des Fahrzeuges einzutragen, ist ein an eine Kühlluftleitung (41) angeschlossener zweiter Kühlmittelströmungsweg (28) vorgesehen.

Description

Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem zwischen einem Ein- und einem Auslasssystem angeordneten Abgasrückführsystem mit zumindest einer stromaufwärts einer Abgasturbine eines Abgasturboladers vom Auslasssystem abzweigenden EGR-Leitung, wobei in der EGR-Leitung zumindest ein EGR-Kühler angeordnet ist, wobei zumindest ein erster EGR-Kühler als Abgas/Abgas-Wärmetauscher mit zumindest einem EGR-Strömungsweg und zumindest einem ersten Kühlmittelströmungsweg ausgebildet ist, welcher erste Kühlmittelströmungsweg stromabwärts der Abgasturbine an das Auslasssystem angeschlossen ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, wobei das Auslasssystem über zumindest eine in eine Einlassleitung einmündende Abgasrückführleitung mit dem Einlasssystem verbunden ist, und wobei die Einlassleitung eine Mischeinrichtung zur Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der zugeführten Frischluft aufweist.
Die US 7,210,468 Bl offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Auslasssystem zwischen einem Einlassstrang und einem Auslassstrang, wobei in der EGR- Leitung ein Abgas/Abgas-Wärmetauscher angeordnet ist, bei dem als Kühlmedium das kühle Abgas stromabwärts einer Abgasturbine verwendet wird. (EGR = Exhaust Gas Recirculation)
Die JP 2007-255358 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem EGR-System und einem in Auslassstrang stromabwärts einer Abgasturbine angeordneten Katalysator. Der Katalysator weist einen Kühlmantel auf, welcher vom rückgeführten Abgas durchströmt wird. Dadurch soll das Regenerationsverhalten des Katalysators verbessert werden.
Bei der Abgasrückführung lässt das gekühlte Abgas im homogenen Gemisch mit Frischluft die Verbrennungstemperatur sinken. Dadurch verringert sich der Stickoxid-Anteil im Abgas. Eine optimale Stickoxid-Reduzierung lässt sich bei mehr- zylindrigen Brennkraftmaschinen aber nur realisieren, wenn die rückgeführten Abgasmengen auf alle Zylinder gleichmäßig aufgeteilt werden. Um dies zu erreichen, ist eine gute Vermischung der Frischluft mit dem rückgeführten Abgas notwendig.
Die DE 100 07 243 Cl beschreibt eine Abgasrückführvorrichtung mit einer Zu- mischeinrichtung. Die Abgasrückführleitung mündet über eine Auslassöffnung oder Zumischöffnung in einer Frischluftleitung ein, wobei im Bereich der Zu- mischöffnung der Zumischeinrichtung ein Drallerzeugungselement und/oder ein Turbuleπzerzeugungselement vorgesehen ist. Der erzielte Mischerfolg ist allerdings nicht immer ausreichend. Nachteilig ist weiters, dass durch die Zumischeinrichtung die Teileanzahl erhöht und der Strömungswiderstand in der Frischluftleitung nachteilig beeinflusst wird.
Aus der JP 2000-161148 A, sowie aus der JP 2004-232617 A ist ein Abgasrück- führsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Abgasrückführlei- tung über zwei Mündungsöffnungen tangential in eine Einlassleitung mündet. Dadurch entsteht eine drallförmige Einströmung des rückgeführten Abgases. Nachteilig ist, dass der Durchmischungserfolg stark von der Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgases abhängt, wobei bei kleinen Einströmungsgeschwindigkeiten des Abgases der Turbulenzanteil zu gering ist, um eine gute Durchmischung mit der Kernzone der Frischluft zu erreichen, da das Abgas sich vorwiegend and den Oberflächen der Frischluftleitung anlegt.
Untersuchungen zeigen, dass aufgrund der höheren Abgastemperatur und der niedrigeren Dichte das rückgeführte Abgas durch Fliehkrafteinfluss in einer glatten Einlassleitung im Bereich des Innenradius eines Einlasskrümmers ansammelt. Dadurch kommt es zu keiner guten Vermischung der Ladeluft mit dem Abgas. Aufgrund dieser schlechten Vermischung erfolgt auch keine gleichmäßige Aufteilung des Abgases bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen auf die einzelnen Zylinder.
Ferner ist aus der JP 2001-200770 A ein Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylindern bekannt, wobei die Einlassleitung mit einem Resonatorvolumen in Verbindung steht. Die Verbindungsöffnung der Einlassleitung mit dem Resonatorvolumen ist stromaufwärts einer Mündung einer Abgasrückführleitung angeordnet, wobei für jede Zylinderbank ein Austritt aus einem Abgasrückführsammler vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung soll vor allem das Motorgeräusch verringert werden.
Aufgabe der Erfindung ist, ausgehend von einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, die Kühlung des rückgeführten Abgases zu verbessern, ohne zusätzliche Wärme in das Kühlmittelsystem des Fahrzeuges zu bringen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache bauliche Weise eine Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft bei geringsten Druckverlusten zu erreichen. Querschnittsverringernde Einbauten jeglicher Art sollen dabei vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zur Kühlung des rückgeführten Abgases zumindest ein an eine Kühlluftleitung angeschlossener zweiter Kühlmit- telströmungsweg vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der zweite Kühlmittelströ- mungsweg zumindest teilweise in den ersten EGR-Kühler integriert ist.
Die ersten und zweiten Kühlmittelströmungswege können nacheinander oder parallel auf den EGR-Strömungsweg einwirken.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Kühlmittelströmungsweg durch eine Vielzahl von parallelen ersten Kühlkanälen gebildet ist, welche vom zu kühlenden rückgeführten Abgas umströmt sind.
Eine optimale Kühlung des rückgeführten Abgases kann erreicht werden, wenn der vorzugsweise mehrflutige EGR-Strömungsweg in Bezug auf die ersten Kühlkanäle nach dem Kreuzstromprinzip, vorzugsweise nach dem Kreuzgleichstromprinzip geführt sind.
Zusätzliche Kühleffekte lassen sich erreichen, wenn der zweite Kühlmittelströmungsweg durch einen Strömungsmantel gebildet ist, welcher den EGR-Strömungsweg und die ersten Kühlkanäle umgibt, wobei vorzugsweise der zweite Kühlmittelströmungsweg in Bezug auf die ersten Kühlkanäle und/oder die Hauptrichtung des EGR-Strömungsweges nach dem Gleichstromprinzip geführt ist.
Eine sehr kompakte Bauweise lässt sich realisieren, wenn die Eintritte des EGR- Strömungsweges des ersten und des zweiten Kühlmittelströmungsweges im Bereich eines ersten Endes des Abgas/Abgas-Wärmetauschers und die Austritte des EGR-Strömungsweges, des ersten Kühlmittelströmungsweges und des zweiten Kühlmittelströmungsweges im Bereich eines zweiten Endes des Abgas/Abgas- Wärmetauschers angeordnet sind.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Förderung der Kühlluft durch den zweiten Kühlmittelströmungsweg ein Gebläse vorgesehen ist. Das rückgeführte Abgas kann somit zusätzlich durch Motorraumluft abgekühlt werden, ohne dass zusätzliche Wärme in das Kühl mitte I System des Fahrzeuges gelangt.
Die Führung der erwärmten Kühlluft des zweiten Kühlluftströmungsweges kann stromauf- und/oder stromabwärts des ersten EGR-Kühlers in einem doppelwan- digen Rohr des Auslasssystems erfolgen. Dadurch kann Bauraum eingespart werden und die erwärmte Kühlluft zur Erwärmung und zum Spülen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung verwendet werden.
Weiters kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zumindest ein vorzugsweise vom Motorkühlmedium durchflossener zweiter EGR-Kühler in der EGR- Leitung in Serie zum ersten EGR-Kühler angeordnet ist, wobei vorzugsweise der erste EGR-Kühler einen EGR-Vorkühler bildet. Weiters kann eine Verbesserung der Kühlung des rückgeführtes Abgases erreicht werden, wenn zumindest ein dritter EGR-Kühler in der EGR-Leitung angeordnet ist, wobei vorzugsweise der dritte EGR-Kühler dem zweiten EGR-Kühler nachgeschaltet ist.
Eine einfache Durchmischung des rückgeführten Abgases mit Frischluft lässt sich dadurch erreichen, dass die Mischvorrichtung durch zumindest ein von der Einlassleitung abzweigendes Resonatorvolumen gebildet ist, wobei die Verbindung des Resonatorvolumens stromabwärts der Mündung der Abgasrückführleitung in die Einlassleitung angeordnet ist.
Eine gute Durchmischung wird erreicht, wenn das Resonatorvolumen direkt anschließend an die Mündung der Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Resonatorvolumen und der Mündung dem halben hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung entsprechen kann.
Weitere Verbesserungen in der Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft lassen sich erreichen, wenn der Abstand zwischen dem Resonatorvolumen und der Mündung größer ist als der halbe hydraulische Durchmesser der Abgasrückführleitung, aber kleiner als der doppelte hydraulische Durchmesser der Abgasrückführleitung ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Resonatorvolumen als Ausstülpung der Einlassleitung ausgebildet ist.
Besonders wenn die Abgasrückführleitung quer, vorzugsweise in einem rechten Winkel in die Einlassleitung einmündet, können optimale Mischergebnisse erzielt werden. Durch die quer in die Einlassleitung einmündende Abgasrückführleitung entsteht eine Ablöseblase, welche durch das Resonatorvolumen verstärkt wird und eine verbesserte Durchmischung mit der Kernzone der Frischluft bewirkt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Übergang zwischen der Einlassleitung und der Verbindung zum Resonatorvolumen möglichst scharfkantig ausgebildet ist. Das Ablöseverfahren lässt sich gezielt durch einen definierten Radius zwischen der Einlassleitung und der Verbindung zum Resonatorvolumen beeinflussen. Ein definierter Radius kommt andererseits auch den gusstechnischen Anforderungen entgegen. Fertigungs- bzw. festigkeitsbedingte Radien erfordern tendenziell größere Resonatorvolumen und geringere Abstände zwischen Resonatorvolumen und der Mündung der Abgasrückführleitung.
Die verstärkte Ablöseblase führt zu einer erhöhten Turbulenz im Bereich des Resonatorvolumens, wodurch eine besonders hohe Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft entsteht. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verbindung zum Resonatorvolumen in einer geraden Mischstrecke der Einlassleitung angeordnet ist. Im Falle einer räumlich gekrümmten Einlassleitung kann eine quer zur Achse der Einlassleitung geneigte Abgasrückführleitung der Entmischungstendenz zufolge Dichteunterschied (Frischluft/ Abgas) unter Fliehkraftwirkung speziell im Bereich der Mündung der Abgasrückführleitung entgegenwirken. Ein weiteres Verbesserungspotential in gekrümmten Einlassleitungen ermöglicht ein seitlicher Versatz des Resonatorvolumens und/oder der Mündung der Abgasrückführleitung zueinander bzw. aus der Mittelebene heraus und entsprechende Kombinationen. Die Abgasrückführleitung kann einen in Bezug auf eine ihrer die Achse der Abgasrückführleitung beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweisen.
Untersuchungen haben ergeben, dass die besten Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Erstreckung des Resonatorvolumens in Richtung der Achse der Einlassleitung mindestens dem hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung entspricht. Positive Durchmischungseffekte haben sich auch noch bei Querschnitten bis zum vierfachen des hydraulischen Durchmessers der Abgasrückführleitung gezeigt.
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante kann das Resonatorvolumen im Wesentlichen zylindrisch geformt sein. Besonders günstig ist es, wenn das Resonatorvolumen im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen das Achsenverhältnis vorzugsweise Verhältnis 2: 1 mit der längeren Achse quer zur Richtung der Achse der Einlassleitung beträgt. Dabei kann das Resonatorvolumen auch einen in Bezug auf ihre Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweisen. Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe des Resonatorvolumens ebenfalls mindestens dem hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung entspricht.
Die ideale relative Größe des Resonatorvolumens sinkt mit dem Massenstrom- verhältnis des rückgeführten Abgases zur Frischluft. Ein motorindividuelles Optimum muss für jede Brennkraftmaschine entsprechend den Bedürfnissen der Verbrennung über mehrere Betriebspunkte durch zahlreiche Simulationsläufe gefunden werden.
Um hohe Abgasrückführmengen optimal mit der Frischluft zu durchmischen ist es vorteilhaft, wenn die Einlassleitung mehrere Mündungen von Abgasrückführlei- tungen aufweist, wobei die Mündungen in Umfangsrichtung versetzt oder in Strömungsrichtung voneinander beabstandet sein können. Dabei kann zum Erreichen einer optimalen Durchmischung pro Mündung ein Resonatorvolumen vorgesehen sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung; Fig. 2 einen Abgas/Abgas-Wärmetauscher aus Fig. 1 in einer Schrägansicht;
Fig. 3 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einer weiteren Schrägansicht;
Fig. 4 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einer abgaseintrittsseitigen Ansicht;
Fig. 5 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einer abgasaustrittsseitigen Ansicht;
Fig. 6 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einer Draufsicht;
Fig. 7 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 4;
Fig. 8 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 4;
Fig. 9 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie IX-IX in Fig. 6;
Fig. 10 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie X-X in Fig. 6;
Fig. 11 den Abgas/Abgas-Wärmetauscher in einem weiteren Schnitt gemäß der Linie XI-XI in Fig. 6;
Fig. 12 eine weitere erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
Fig. 13 eine Einlassleitung dieser Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt;
Fig. 14 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV in Fig. 13 in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 15 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV in Fig. 13 in einer zweiten Ausführungsvariante;
Fig. 16 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV in Fig. 13 in einer dritten Ausführungsvariante;
Fig. 17 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie XVII - XVII in Fig. 13 in einer Ausführungsvariante; und Hg. 18 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie XVII - XVII in Fig. 13 in einer anderen Ausführungsvariante.
Die Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern Cl, C2, C3, C4, C5, C6 weist ein Einlasssystem 2 mit einem Einlasssammler 3 und ein Auslasssystem 4, sowie ein Abgasrückführsystem (EGR-System) 5 auf. Im Auslassstrang 6 des Auslasssystems sind die Abgasturbinen 7, 8 eines ersten Abgasturboladers 9, bzw. eines zweiten Turboladers 10 angeordnet. Das EGR-System 5 weist eine EGR-Leitung 11 auf, welche vom Abgassammler 12 stromaufwärts der Abgasturbinen 7, 8 abzweigt, und welche in den Einlassstrang 13 des Einlasssystems 2 stromabwärts der Verdichter 14, 15 des erste, bzw. zweiten Abgasturboladers 9, 10 einmündet. Im Bereich der Abzweigung ist in der EGR-Leitung 11 ein zum Beispiel druckluftbetätigtes Ventil zum Regeln und Absperren des EGR-Stroms vorgesehen. In der EGR-Leitung 11 ist ein als Vorkühler ausgebildeter erster EGR-Kühler 16, ein einen Hochtemperaturkühler bildender zweiter EGR-Kühler 17, sowie ein dritter EGR-Kühler 18 angeordnet, welcher einen Niedertemperaturkühler bildet. Mit Bezugszeichen 19 und 20 sind im Einlassstrang 13 angeordnete Ladeluftkühler bezeichnet. Mit 21 ist ein Kühlmittelkühler bezeichnet.
Der erste EGR-Kühler 16 ist als Abgas/Abgas-Wärmetauscher für ein erstes und ein zweites Kühlmedium konzipiert, wobei das erste Kühlmedium durch den Abgasstrom stromabwärts der zweiten Abgasturbine 8 und das zweite Kühlmedium durch Kühlluft, beispielsweise aus dem Motorraum, gebildet wird.
Der erste EGR-Kühler 16 weist einen EGR-Strömungsweg 26 mit Eintritten 22 und Austritten 23 auf, wobei im Ausführungsbeispiel der EGR-Strömungsweg 26 zweiflutig durch den ersten EGR-Kühler 16 geführt ist. Die beiden Fluten des EGR-Strömungsweges 26 sind mit 26a und 26b bezeichnet. Je nach thermody- namischer Auslegung kann der erste EGR-Kühler 16 auch einflutig ausgeführt sein. Weiters weist der erste EGR-Kühler 16 einen durch erste Kühlkanäle 24 gebildeten ersten Kühlmittelströmungsweg 25 auf, wobei die ersten Kühlkanäle 24 parallel zueinander in Richtung der Längsachse 16a des ersten EGR-Kühlers 16 angeordnet sind. Der EGR-Strömungsweg 26 und der erste Kühlmittelströmungsweg 25 sind dabei nach dem Kreuzstromprinzip insbesondere nach dem Kreuzgleichstromprinzip zueinander angeordnet. Der EGR-Strömungsweg 26 umströmt dabei die im Ausführungsbeispiel durch quadratische Rohre gebildeten ersten Kühlkanäle 24, wobei die EGR-Strömung durch Leitwände 27 mäanderartig durch den ersten EGR-Kühler 16 - quer zum ersten Kühlmittelströmungsweges 25 - geführt ist.
Weiters weist der erste EGR-Kühler 16 einen einen zweiten Kühlmittelströmungsweg 28 bildenden Kühlmantel 29 auf, welcher den den ersten Kühlmittelström- ungsweg 25 und den EGR-Strömungsweg 26 aufweisenden Raum 40 umgibt. Im Kühlmantel 29 sind dabei Leitelemente 30 angeordnet, wie deutlich aus Fig. 3 hervorgeht, bei der der EGR-Kühler 16 ohne äußeres Gehäuse dargestellt ist. Dadurch kann die Verweildauer der Kühlluft im Kühlmantel 29 erhöht werden. Die das zweite Kühlmittel bildende Kühlluft strömt von einer Kühlluftleitung über einen seitlichen Eintritt 31 in den Kühlmantel 29 und verlässt den Kühlraum 29 wieder über axiale Austritte 32 in den hohlzylindrischen Kanal 41 eines doppel- wandigen Rohres 42 des Auslasssystems 4.
Wie aus den Fig. 9 bis Fig. 11 hervorgeht, sind die beiden Fluten 26a, 26b des EGR-Strömungsweges 26 durch eine Wand 33 voneinander getrennt.
Die Eintritte 22 für das rückgeführte Abgas, der Eintritt 31 für die Kühlluft, sowie der radiale Eintritt 34 für das durch kühles Abgas gebildete erste Kühlmedium sind im Bereich eines ersten Endes 35 des ersten EGR-Kühlers 16 angeordnet. Die Austritte 23 für das rückgeführte Abgas, die Austritte 32 für die Kühlluft, sowie der radiale Austritt 36 für das erste Kühlmedium sind im Bereich eines zweiten Endes 37 des ersten EGR-Kühlers 16 angeordnet.
Der EGR-Strom wird somit durch das kühle Abgas stromabwärts der zweiten Ab- gasturbine 8 und durch die Kühlluft optimal gekühlt. Zur Erhöhung der Kühlleistung kann darüber hinaus noch vorgesehen sein, dass die Kühlluft über ein Gebläse 38 dem zweiten Kühlmittelströmungsweg 28 zugeführt wird.
Die Kühlung des rückgeführten Abgases durch kühles Abgas aus dem Auslasssystem 4, sowie durch Kühlluft aus dem Motorraum hat den Vorteil, dass ein zusätzlicher Wärmeeintrag in das Kühlmittelsystem des Fahrzeuges vermieden wird. Darüber hinaus wird das "kalte" Abgas des Auslasssystems 4 vor Eintritt in eine Abgasnachbehandlungsanlage 39 angewärmt, was das Ansprechverhalten der Abgasnachbehandlungsanlage 39 verbessert.
Das dem Abgaskrümmer 12 entnommene rückzuführende Abgas, welches etwa 7000C aufweist, wird, bevor es dem zweiten und dritten EGR-Kühler 17, 18 zugeführt wird, mit "kaltem'Αbgas vorgekühlt. Das Abgas verliert in den Abgas- turbinen 7, 8 an Energie, was sich auch in einer Temperaturreduktion niederschlägt. Bei modernen Nutzfahrzeug-Brennkraftmaschinen mit zum Beispiel zweistufiger Aufladung, weist das Abgas am Austritt der zweiten Abgasturbine 8 eine Temperatur von etwa 3500C auf. Dieses Temperaturgefälle ist ausreichend, um das rückzuführende Abgas zu kühlen.
Durch die den Kühlmantel 29 durchströmende Kühlluft wird der Kühleffekt wesentlich verbessert. Das Gebläse 38 zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft kann elektrisch, mechanisch oder auch hydraulisch angetrieben sein. Eine gezielte Abfuhr der warmen Abluft aus dem Motorraum, etwa über eine Rohrleitung oder - wie dargestellt - im hohlzylindrischen Kanal 41 eines doppel- wandigen Rohres 42 des Auslasssystems 4, ist vorteilhaft, um einen Hitzestau zu vermeiden. Die heiße Abluft kann in einer Abgasreinigungsanlage verwendet werden (z.B. zur Harnstoffaufbereitung oder dergleichen).
Bei modernen Nutzfahrzeug-Brennkraftmaschinen ist das Abgas nach der letzten Turbinenstufe, speziell im Teillastbetrieb, bereits so kühl, dass die Temperatur für die Abgasreinigungsanlage nicht ausreichend ist. Durch den beschriebenen ersten EGR-Kühler 16 kann das Abgas, eventuell durch Wegschaltung der Motorraumluftkühlung mittels des rückgeführten Abgases auf ausreichend hohe Temperaturen gebraucht werden.
Die zweiflutige Abgasrückführung ist in bestimmten Zylinderkonfigurationen, beispielsweise bei einem Reihenmotor mit sechs Zylindern von Vorteil, um Gaspulse nutzen zu können.
Die Fig. 2 bis Fig. 8 zeigen eine Ausführung, bei der die in den ersten EGR-Kühler 16 integrierten ersten und zweiten Kühlmittelströmungswege 25, 28 parallel auf den EGR-Strömungsweg 26 einwirken. Aus Platzgründen oder aus thermodyna- mischen Gründen kann es aber auch günstig sein, den ersten und den zweiten Kühlmittelströmungsweg 25, 28 hintereinander in Bezug auf den EGR-Strömungsweg 26 anzuordnen.
Die Fig. 12 zeigt eine Brennkraftmaschine 101 mit einem Einlasssystem 102 und einem nicht weiter dargestellten Auslasssystem, welches über zumindest eine Abgasrückführleitung 103 mit einer Einlassleitung 104 verbunden ist. Mit Zl, Z2, Z3, Z4, Z5 sind die Zylinder der Brennkraftmaschine 101 bezeichnet. Jeder Zylinder Zl bis Z5 weist im Ausführungsbeispiel zwei mit dem Einlasssystem 102 kommunizierende Einlassöffnungen 105 und zwei mit dem Auslasssystem verbundene Auslassöffnungen 106 auf.
Die geschwungen ausgeführte Einlassleitung 104 weist zwischen einem Bogen 112 und einem Einlasskrümmer 113 eine Mischstrecke 109 auf, welche im Ausführungsbeispiel annähernd gerade ausgeführt ist.
Stromabwärts der Mündung 103a der Abgasrückführleitung in die Einlassleitung 104 ist eine durch ein Resonatorvolumen 107 gebildete Mittel 108 zur Durchmischung des rückgeführten Abgases 111 mit zugeführter Frischluft 110 vorgesehen. Mit 107a ist eine Verbindung zwischen dem Resonatorvolumen 107 und der Einlassleitung 104 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel weist das zylindrische Resonatorvolumen 107, sowie die Verbindung 107a eine in Richtung der Achse 104' der Einlassleitung 104 gemessene axiale Erstreckung d auf, welche etwa dem hydraulischen Durchmesser dhEGR = 4AEGR/UEGR der Abgasrückführleitung 103 entspricht, wobei mit AEGR der Strömungsquerschnitt und mit UEGR der benetzte Umfang der Abgasrückführleitung 103 im Bereich der Mündung 103a bezeichnet ist. Auch die etwa quer zur Achse 104' gemessene Tiefe t des Resonatorvolumens 107 entspricht etwa dem hydraulischen Durchmesser dhEGR der Abgasrückführleitung 103a. Der Abstand a zwischen der Mündung 103a und der Verbindungsöffnung 107a des Resonatorvolumens 107 ist in etwa der halbe hydraulische Durchmesser dhEGR der Abgasrückführleitung 103.
Die Abgasrückführleitung 103 mündet etwa quer zur Achse 104' der Einlassleitung 104 in diese ein. Dadurch bildet sich eine Ablöseblase, welche durch das stromabwärts der Mündung 103a angeordnete Resonatorvolumen 107 verstärkt wird. In Folge der Ablöseblase bildet sich im Bereich des Resonatorvolumens 107 in der Einlassleitung 104 ein Bereich 114 mit erhöhter Turbulenz wie durch die Pfeile 109a angedeutet ist. Diese Turbulenz verstärkt die Durchmischung des rückgeführten Abgases 111 mit der Frischluft 110 nachhaltig, wodurch in der geraden Mischstrecke 109 eine optimale Durchmischung zwischen der Frischluft 110 und dem rückgeführten Abgas 111 noch vor dem Eintritt in einen der geraden Mischstrecke 109 folgenden Einlasskrümmer 112 erfolgt. Das idealer Weise homogene Abgas/Frischluft-Gemisch 115 wird gleichmäßig auf die einzelnen Zylinder Zl, Z2, Z3, Z4, Z5 aufgeteilt. Dabei treten nur minimale Druckverluste aufgrund der zusätzlichen Verwirbelung auf, die wesentlich geringer sind, verglichen mit den Druckverlusten die - zur Erzielung ähnlicher Durchmischungsqualität - unter Anwendung von die Frischluftströmung versperrenden Einbauten auftreten würden.
Da sich die Bestandteile Frischluft und Abgas unter Fliehkrafteinwirkung entsprechend ihrer Dichten schichten, kann gezielt eine Durchmischung dadurch gefördert werden, indem eine inverse Verteilung vorinitialisiert wird. Deshalb wird in einer Ausführungsvariante im Bereich des Bogens 112 die Abgasrückführleitung 103 unter einem Winkel α von bis zu 70° - in Bezug auf eine Mittelebene ε der Einlassleitung 104 - in diese einmünden (Fig. 16). Die Mitte der Mündung 103a kann dabei um einen Abstand b zur durch die Achse 112 ' des Bogens 112 aufgespannten Mittelebene ε versetzt angeordnet sein (Fig. 15). Der Abstand b beträgt etwa bis zu 30% des hydraulischen Durchmessers dh = 4A/U, wobei mit A der Strömungsquerschnitt und mit U der benetzte Umfang der Einlassleitung 104 im Bereich der Mündung 103a bezeichnet ist. Weiters kann auch das stromabwärts der Mündung 103a angeordnete Resonatorvolumen 107 in gleicher Weise wie die Mündung 103a versetzt in Bezug zur Mittelebene ε der Einlassleitung 104 angeordnet sein, wie in Fig. 18 gezeigt ist. Die Mündung 103a der Abgasrückführlei- tung 103 und das Resonatorvolumen 107 sind somit - in Strömungsrichtung S betrachtet - fluchtend hintereinander angeordnet.
Um eine besonders gute Durchmischung zu erreichen, kann weiters zumindest eine weitere Mündung 103a1 einer Abgasrückführleitung 103' vorgesehen sein, wie in Fig. 14 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Die Mündungen 103a, 103a' können dabei in einer Normalebene auf die Längsachse 104' in Umfangrichtung versetzt am Einlasskanal 104 angeordnet sein.
Zur Erreichung guter Durchmischungserfolge ist es dabei von Vorteil, wenn stromabwärts jeder Mündung 103a, 103a1 der Abgasrückführleitung 103, 103' jeweils ein Resonatorvolumen 107, 107' angeordnet ist, wobei die Resonatorvolumen 103, 103' in gleicher Weise wie die Mündungen 103a, 103a' dabei in einer Normalebene auf die Längsachse 104' in Umfangrichtung versetzt am Einlasskanal 104 angeordnet sein können, wie aus Fig. 17 hervorgeht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brenn kraftmaschine (1) mit einem zwischen einem Ein- und einem Auslasssystem (2, 4) angeordneten Abgasrückführsystem (5) mit zumindest einer stromaufwärts einer Abgasturbine (7, 8) zumindest eines Abgasturboladers (9, 10) vom Auslasssystem (4) abzweigenden EGR-Leitung (11), wobei in der EGR-Leitung (11) zumindest ein EGR-Kühler (16) angeordnet ist, wobei zumindest ein erster EGR-Kühler (16) als Abgas/Abgas-Wärmetauscher mit zumindest einem EGR-Strömungsweg (26) und zumindest einem ersten Kühlmittelströmungsweg (25) ausgebildet ist, welcher erste Kühlmittelströmungsweg (25) stromabwärts der Abgasturbine (7, 8) an das Auslasssystem (4) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des rückgeführten Abgases zumindest ein an eine Kühlluftleitung (41) angeschlossener zweiter Kühlmittelströmungsweg (28) vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelströmungsweg (28) zumindest teilweise in den ersten EGR-Kühler (16) integriert ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kühlmittelströmungsweg (25, 28) nacheinander auf den EGR-Strömungsweg (26) thermisch einwirken.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kühlmittelströmungsweg (25, 28) parallel auf den EGR-Strömungsweg (26) thermisch einwirken.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmittelströmungsweg (25) durch eine Vielzahl von parallelen ersten Kühlkanälen (24) gebildet ist, welche vom zu kühlenden rückgeführten Abgas umströmt sind.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der EGR-Strömungsweg (26) in Bezug auf den ersten Kühlmittelströmungsweg (25) nach dem Kreuzstromprinzip, vorzugsweise nach dem Kreuzgleichstromprinzip geführt sind.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelströmungsweg (28) durch einen Strömungsmantel (29) gebildet ist, welcher einen den EGR-Strömungsweg (26) und die ersten Kühlkanäle (24) aufweisenden Raum (40) umgibt.
8. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelströmungsweg (28) stromab- und/oder stromaufwärts des ersten EGR-Kühlers (16) an einen hohlzylindrischen Kanal (41) eines doppelwandigen Rohres (42) des Auslasssystems (4) angeschlossen ist.
9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittelströmungsweg (28) in Bezug auf den ersten Kühlmittelströmungsweg (25) und/oder die Hauptrichtung des EGR-Strömungsweges (26) nach dem Gleichstromprinzip geführt ist.
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritte (22, 34, 31) des EGR-Strömungsweges (26) des ersten Kühlmittelströmungsweges (25) und des zweiten Kühlmittelströmungsweges (28) im Bereich eines ersten Endes (35) des Abgas/Abgas-Wärmetauschers und die Austritte (23, 36, 32) des EGR-Strömungsweges (26), des ersten Kühlmittelströmungsweges (25) und des zweiten Kühlmittelströmungsweges (28) im Bereich eines zweiten Endes (37) des Abgas/ Abgas-Wärmetauschers angeordnet sind.
11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Kühlluft durch den zweiten Kühlmittelströmungsweg (28) ein Gebläse (38) vorgesehen ist.
12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein vorzugsweise vom Motorkühlmedium durchflossener zweiter EGR-Kühler (17) in der EGR-Leitung (11) in Serie zum ersten EGR-Kühler (16) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der erste EGR-Kühler (16) einen EGR-Vorkühler bildet.
13. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter EGR-Kühler (18) in der EGR-Leitung (11) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der dritte EGR-Kühler (18) dem zweiten EGR-Kühler (17) nachgeschaltet ist.
14. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der EGR-Strömungsweg (26) zumindest durch den ersten EGR-Kühler (16) mehrflutig, vorzugsweise zweiflutig, ausgebildet ist.
15. Brennkraftmaschine (101) mit einem Einlasssystem (102) und einem Auslasssystem, wobei das Auslasssystem über zumindest eine in eine Einlassleitung (104) einmündende Abgasrückführleitung (103, 103') mit dem Einlasssystem (102) verbunden ist, und wobei die Einlassleitung (104) ein Mittel (108) zur Durchmischung des rückgeführten Abgases (111) mit der zu- geführten Frischluft (110) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (108) durch zumindest ein mit der Einlassleitung (104) verbundenes Resonatorvolumen (107, 107') gebildet ist, wobei die Verbindung (107a) des Resonatorvolumens (107, 107') stromabwärts der Mündung (103a, 103a1) der Abgasrückführleitung (103, 103') in die Einlassleitung (104) angeordnet ist.
16. Brennkraftmaschine (101) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (107, 107') direkt anschließend an die Mündung (103a) der Abgasrückführleitung (103, 103') angeordnet ist.
17. Brennkraftmaschine (101) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Resonatorvolumen (107, 107') und der Mündung (103a, 103a') größer ist als der halbe hydraulische Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (103).
18. Brennkraftmaschine (101) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Resonatorvolumen (107, 107') und der Mündung (103a, 103a') kleiner ist als der doppelte hydraulische Durchmesser (dhEGi0 der Abgasrückführleitung (103, 103').
19. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (107, 107') als Ausstülpung der Einlassleitung (104) ausgebildet ist.
20. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Einlassleitung (104) und der Verbindung (107a, 107a') zum Resonatorvolumen (107, 107') scharfkantig ausgebildet ist.
21. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Einlassleitung (104) und der Verbindung (107a, 107a') zum Resonatorvolumen (107, 107') mit einem definierten Radius ausgebildet ist.
22. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (107a, 107a') zum Resonatorvolumen (107, 107') in einer geraden Mischstrecke der Einlassleitung (104) angeordnet ist.
23. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (107, 107') im Wesentlichen zylindrisch geformt ist.
24. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (107, 107') im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen das Achsenverhältnis vorzugsweise Verhältnis 2: 1 mit der längeren Achse quer zur Richtung der Achse (1041) der Einlassleitung (104) beträgt.
25. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung (a) des Resonatorvolumens (107, 107') in Richtung der Achse (104') der Einlassleitung (104) mindestens dem hydraulischen Durchmesser (dhEGi0 der Abgasrückführleitung (103, 103') entspricht.
26. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) des Resonatorvolumens (107, 107') mindestens dem hydraulischen Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (103, 103') entspricht.
27. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (103, 103') quer, vorzugsweise in einem rechten Winkel in die Einlassleitung (104) einmündet.
28. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (103, 103') im Bereich eines Bogens (112) der Einlassleitung (104) quer, vorzugsweise unter einem Winkel (α) kleiner gleich 70° in Bezug zu einer durch die Achse (1121) des Bogens (112) aufgespannten Mittelebene (ε), in die Einlassleitung (104) einmündet.
29. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (103, 103') einen im Bezug auf eine ihrer die Achse der Abgasrückführleitung (103, 103') beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweist.
30. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (103a, 103a') der Abgasrückführleitung (103, 103') im Bereich eines Bogens (112) seitlich um einen definierten Betrag (b) der bis zu 30% des hydraulischen Durchmessers (dh) der Einlassleitung (104) beträgt, in Bezug zu einer durch die Achse (112') des Bogens (112) aufgespannten Mittelebene (ε) versetzt angeordnet ist.
31. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumens (107, 107') im Bereich eines Bogens (112) der Einlassleitung (104) seitlich um einen definierten Be- trag (c), der bis zu 30% des hydraulischen Durchmessers (dh) der Einlassleitung (104) beträgt, aus der Mittelebene (ε) versetzt angeordnet ist.
32. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumens (107, 107') einen in Bezug auf eine ihrer die Achse des Resonatorvolumens (107, 107') beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweist.
33. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (104) mehrere Mündungen (103a, 103a') von Abgasrückführleitungen (103, 103') aufweist, wobei die Mündungen (103a, 103a') in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
34. Brennkraftmaschine (101) nach einem der Ansprüche 15 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (104) mehrere Mündungen (103a, 103a1) von Abgasrückführleitungen (103, 103') aufweist, wobei die Mündungen (103a, 103a') in Strömungsrichtung (S) von einander beabstandet sind.
35. Brennkraftmaschine (101) nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass pro Mündung (103a, 103a') ein Resonatorvolumen (107, 107') vorgesehen ist.
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