DE102005039137A1 - Arbeitsfluidkreislauf für turboaufgeladenen Motor mit Abgasrückführung - Google Patents

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Abstract

Motorarbeitsfluidkreislauf für turboaufgeladenen und Abgasrückführung verwendenden Verbrennungsmotor. Der Arbeitsfluidkreislauf benutzt einen Abgasdurchlass, einen Ladeluftdurchlass und einen durch das von dem Verbrennungsmotor strömenden Abgas angetriebenen Turbolader zur Zufuhr von aufgedrückter Luft zu dem Ladeluftdurchlass. Ein Abgasrückführungsdurchlass erstreckt sich zwischen dem Abgasdurchlass und dem Ladeluftdurchlass, umgeht den Turbolader und stellt einen Umwälzweg einer vorbestimmten Abgasmenge in die Ladeluft bereit. Ein Einzelladeluftkühler ist vorgesehen, der eine erste Verzweigungsanordnung, eine zweite Verzweigungsanordnung und eine Mehrzahl an dazwischen angeordneten Kühldurchlässen aufweist. Die Kühldurchlässe dienen zum Kühlen des Gemisches aus Ladeluft und Rückführabgas vor dessen Einspeisung in den Verbrennungsmotor. Ein Stromventil ist zwischen der ersten Verzweigungsanordnung und der zweiten Verzweigungsanordnung angeordnet und zwischen offenen, Umgehungs- und Umkehrstellungen zur Steuerung der Gemischströmung aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Kühler bewegbar. Die offene Stellung stellt eine Vorwärtsströmung durch die Kühldurchlässe bereit; die Umgehungsstellung eine die Kühldurchlässe umgehende Stellung und die Umkehrstellung eine Umkehrreinigungsströmung durch die Kühldurchlässe.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Arbeitsfluidkreislauf für einen Verbrennungsmotor und genauer auf einen Fluidkreislauf für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung verwendet.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Die Abgasrückführung wird allgemein bei Verbrennungsmotoren als eine Anordnung zur Steuerung der Erzeugung von Stickoxiden (NOx) verwendet, die während des Betriebs des Motors erzeugt werden. Sie beteiligt die Rückführung von Auspuffnebenprodukten, die typischerweise von dem Auspuffkrümmer entnommen und zu der Zufuhrluftzufuhr des Motors geführt werden. Das derart erneut in den Motorzylinder eingespeiste Abgas verringert die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoff/Luft-Gemisch. Eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts in dem Brennstoff/Luft-Gemisch führt zu einer niedrigeren maximalen Verbrennungstemperatur und verlangsamt die chemische Reaktion des Verbrennungsverfahrens, wodurch wiederum die Ausbildung von Stickoxiden (NOx), die von dem Motor ausgestoßen werden, verringert wird. Weiterhin enthalten die Abgase häufig einen Anteil an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen, die, wenn sie nicht verbrannt werden, einen Teil der Abgasemissionen ausbilden, die während des Betriebs jedes gegebenen Verbrennungsmotors erzeugt werden. Wenn die nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe jedoch zu der Verbrennungskammer zurückgeführt werden, werden sie dadurch ver brannt, wodurch die Emission unerwünschter Auspuffnebenprodukte von dem Motor weiter verringert wird. Hinsichtlich der unter Verwendung dieser Technik erreichbaren Vorteile wird eine Abgasrückführung allgemein sowohl im Zusammenhang mit (durch Funken gezündeten) Ottomotoren wie mit (kompressionsgezündeten) Dieselmotoren durchgeführt. Besonders nützlich ist die Abgasrückführung im Zusammenhang mit in Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungsmotoren wie z.B. in Personenkraftfahrzeugen, kleinen Lastkraftwagen und bei anderen motorisierten Ausrüstungen.
  • Ebenfalls ist bekannt, dass beim Stand der Technik Turbolader zur Zuführ von Ladeluft zu dem Arbeitsfluidkreislauf eines Motors verwendet werden. Wenn im einzelnen ein Motor turboaufgeladen wird, wirkt das unter Druck gesetzte Abgas auf eine Turbine, die wiederum einen Kompressor antreibt. Der Kompressor drückt die Zufuhrluft für den Verbrennungsmotor auf und macht sie dichter. Eine dichtere Zufuhrluft verbessert die Verbrennung, was zu einer erhöhten Motorleistung führt. Turbolader werden für diesen Zweck im Zusammenhang sowohl mit (durch Funken gezündeten) Ottomotoren wie mit (kompressionsgezündeten) Dieselmotoren benutzt.
  • Zusätzlich zu einer Rückführung der Abgase ist es beim Stand der Technik ebenfalls bekannt, dass verringerte Zufuhrkrümmertemperaturen die Ausbildung von Stickoxiden, welche als ein Verbrennungsprodukt erzeugt werden, reduziert. Allerdings sind die für die Rückführung verfügbaren Abgase im allgemeinen sehr heiß und übersteigen mitunter 550°C. Daher ist bei dem Stand der Technik die Kühlung des zurückgeführten Abgases zwecks einer Absenkung der Zufuhrlufttemperatur bekannt, wodurch dort, wo eine Abgasrückführung benutzt wird, die NOx-Erzeugung weiter reduziert wird. Weiterhin ist es ebenfalls bekannt, die von dem Turbolader zugeführte Ladeluft zu kühlen, bevor sie in die Verbrennungskammer eingespeist wird. Der EGR-Zwischen- und -Ladeluftkühler sind getrennte Wärmetauscher, die zur Kühlung dieser beiden Motorarbeitsfluide verwendet werden. Ein Beispiel eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors mit zwischengekühlter Abgasrückführung findet sich in US-A-6 116 026, ausgegeben am 12.09.2000, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Dieses Patent dient hier als Referenz.
  • In turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren wird das zurückzuführende Abgas im allgemeinen stromauf von der Turbine entfernt, durch den Zwischenkühler geführt und anschließend stromab von dem Kompressor und dem Ladeluftkühler wieder in den Zufuhrluftstrom eingeleitet. Auspuffzwischenkühler dieses Typs verwenden häufig Motorkühlflüssigkeit als das Kühlmedium. Obgleich diese Kühler in der Vergangenheit im allgemeinen die ihnen gestellten Zwecke erfüllt haben, bestehen jedoch weiterhin Nachteile. Im einzelnen erhöht die Verwendung von Motorkühlflüssigkeit als das Kühlmedium die auf das Motorkühlsystem einwirkende Wärmelast und macht dadurch größere Fahrzeugkühler notwendig. Beim Stand der Technik ist ebenfalls eine Verwendung von mehreren oder mehrstufigen Kühlern vorgeschlagen worden, aber dies führt lediglich zu einem größeren Volumen des Motors und tendiert dazu, das Motorkühlsystem übermäßig zu komplizieren. Weiterhin erzeugen die zwischen dem Abgas und der Kühlflüssigkeit in dem Zwischenkühler vorliegenden extremen Temperaturdifferentiale eine raue Arbeitsumgebung. Einige in dem Abgas vorliegende Verbrennungsprodukte sind hoch korrodierend und können innerhalb des Zwischenkühlers bei bestimmten Betriebstemperaturen kondensieren. Diese rauen Betriebsumgebungen und korrodierenden Kondensationsprodukte können dazu führen, dass die Flüssigkeit/Luft-Zwischenkühler über die Zeit hinweg Leckagen aufweisen.
  • Bezüglich dieser Nachteile sind beim Stand der Technik Fortschritte hinsichtlich der Entwicklung von Motorarbeitsfluidkreisläufen erfolgt, die sowohl das zurückgeführte Abgas wie die Ladeluft ohne die Hinzufügung von mehreren Kühlern abkühlen können. Weiterhin sind diese neuesten Motorarbeitsfluidkreisläufe dazu ausgelegt, das zurückgeführte Abgas und die Ladeluft unter Verwendung eines Luft-Luft-Austauschers anstelle der typischen Flüssigkeit/Luft-Kühlungsgrenzfläche zu kühlen. Obgleich diese neueren Ansätze ihre Zwecke im allgemeinen erfüllt haben, sind nun andere Nachteile zu Tage getreten. Im einzelnen müssen die neueren Fluidkreisläufe, die Luft/Luft-Austauscher benutzen, immer noch die korrodierenden Verbrennungsnebenprodukte leiten, die bei der EGR-Rückführung inhärent vorliegen. Es hat sich gezeigt, dass die EGR-Gase, obwohl sie in diesem Verfahren viel effizienter sind, immer noch einen Aufbau von Material in den Übertragungsdurchlässen der Luft/Luft-Austauscher bewirken können, wodurch die Durchlässe letztendlich verstopft werden. Diese aus Partikeln bestehenden Materialien sind verschiedene Typen von Ruß und korrodierenden Verbrennungsnebenprodukten, die sich in den Durchlässen des Austauschers ansammeln, und sie werden umso lästiger, wenn die Betriebsbedingungen zusätzlich die Ausbildung einer Kondensation bewirken.
    •
  • Dementsprechend bleibt beim Stand der Technik ein Bedarf nach einem Motorarbeitsfluidkreislauf bestehen, der sowohl die EGR-Gase und die Ladeluft in einem einzigen Luft/Luft-Austauscher kühlt und den Ruß sowie Verbrennungsnebenprodukte, die sich während des Betriebs des Kreislaufs ansammeln, säubern kann. Weiterhin bleibt beim Stand der Technik ein Bedarf nach einem Motorarbeitsfluidkreislauf bestehen, der diejenigen Betriebsperioden, in denen sich eine Kondensation innerhalb des Austauschers ausbildet, ausgleichen kann, wodurch die Verlässlichkeit des Systems verbessert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung und ihrer Vorteile
  • Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile, die beim Stand der Technik bei einem Arbeitsfluidkreislauf für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung verwendet, bestehen. Der Arbeitsfluidkreislauf beinhaltet einen Abgasdurchlass, einen Ladeluftdurchlass, und einen durch das von dem Verbrennungsmotor strömenden Abgas angetriebenen Turbolader, der zur Zufuhr von unter Druck stehender Luft zu dem Ladeluftdurchlass fungiert. Ein Abgasrückführungsdurchlass erstreckt sich zwischen dem Abgasdurchlass und dem Ladeluftdurchlass, der den Turbolader umgeht und einen Weg für die Umwälzung einer vorbestimmten Menge an Abgas in die Ladeluft bereitstellt. Ebenfalls ist ein Einzelladeluftkühler vorgesehen, der eine erste Verzweigungsanordnung, eine zweite Verzweigungsanordnung und eine Mehrzahl an dazwischen angeordneten Kühldurchlässen aufweist. Die Kühldurchlässe fungieren zur Kühlung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas vorgängig vor der Einspeisung in den Verbrennungsmotor. Ein Stromventil ist betätigbar zwischen der ersten Verzweigungsanordnung und der zweiten Verzweigungsanordnung angeordnet und zwischen offenen, Umgehungs-, und Umkehr-Stellungen bewegbar, um die Strömung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Kühler zu steuern. Die offene Stellung ermöglicht eine Vorwärtsströmung durch die Kühldurchlässe, die Umgehungsstellung sorgt für eine Strömung, die die Kühldurchlässe umgeht, und die Umkehrstellung stellt eine Umkehrreinigungsströmung durch die Kühldurchlässe bereit.
  • Somit beseitigt der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung die beim Stand der Technik bestehenden Nachteile, indem eine Kühlung von sowohl dem zurückgeführten Abgas wie der Ladeluft ohne eine Hinzufügung von mehreren Kühlern bereitgestellt wird. Weiterhin verfügt der Kreislauf über ein Umgehungs- und Umkehrströmungsvermögen durch die Kühldurchlässe, was dazu dient, die Verbrennungsnebenprodukte zu reinigen und bei der Entfernung der Kondensation innerhalb des Kühlers beizutragen.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden werden weitere Vorteile der Erfindung deutlich werden, da diese durch den Bezug auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich werden wird.
  • 1 ist eine schematische Ansicht des Arbeitsfluidkreislaufs der vorliegenden Erfindung;
  • 2A ist eine schematische Aufsicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Vorwärtsströmungsmodus;
  • 2B ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Vorwärtsströmungsmodus;
  • 3A ist eine schematische Aufsicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Umgehungsströmungsmodus;
  • 3B ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Umgehungsströmungsmodus;
  • 4A ist eine schematische Aufsicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Umkehrströmungsmodus; und
  • 4B ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt des Einzelladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung in dem Umkehrströmungsmodus.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
  • Nun auf die Figuren Bezug nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen Strukturen über die Zeichnungen hinweg verwendet werden, ist ein Arbeitsfluidkreislauf für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung benutzt, in 1 generell mit 10 gekennzeichnet. Der Verbrennungsmotor ist generell mit 12 bezeichnet und kann eine oder mehrere Verbrennungskammern beinhalten, die auf jede gebräuchliche Weise wie z.B. in einer reihen- oder V-förmigen Konfiguration angeordnet sind. Somit kann der Motorarbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Verbrennungsmotor benutzt werden, der Anordnungen mit 4 oder 6 Zylindern in Reihe bzw. eine V-6-, V-8- oder V-12-Zylinderanordnung oder ähnliches aufweist. Darüber hinaus versteht sich für den Fachmann, dass die Anzahl und die jeweilige Anordnung der Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors 12 keinen Teil der vorliegenden Erfindung ausmachen. Der Verbrennungsmotor 12 kann entweder ein (durch Funken gezündeter) Ottomotor oder ein (kompressionsgezündeter) Dieselmotor sein. Allerdings ist in der von den Erfindern berücksichtigten bevorzugten Ausführungsform der Arbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung für die Verwendung mit einem Dieselmotor besonders geeignet.
  • Der Arbeitsfluidkreislauf 10 beinhaltet einen generell mit 14 bezeichneten Abgasdurchlass. Der Abgasdurchlass steht mit den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors 12 in Fluidverbindung. Demzufolge strömt unter Druck stehendes Abgas von dem Verbrennungsmotor 12 durch den Abgasdurchlass 14. Der Arbeitsfluidkreislauf 10 beinhaltet weiterhin einen generell mit 16 bezeichneten Ladeluftdurchlass und einen generell mit 18 bezeichneten Turbolader, der durch das von dem Verbrennungsmotor 12 strömende Abgas angetrieben wird. Der Turbolader 18 dient dazu, dem Ladeluftdurchlass 16 unter Druck stehende Luft zuzuführen, was nachfolgend ausführlicher erläutert werden wird.
  • Ein Abgasrückführungsdurchlass ist generell mit 20 gekennzeichnet und erstreckt sich zwischen dem Abgasdurchlass 14 und dem Ladeluftdurchlass 16. Weiterhin umgeht der Abgasrückführungsdurchlass 20 den Turbolader 18 und stellt einen Weg zur Umwälzung einer vorbestimmten Menge an Abgas in den Ladeluftdurchlass 16 bereit, damit das Abgas und die Ladeluft miteinander vermischt werden. Der Arbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung beinhaltet ebenfalls einen Zufuhrdurchlass 22, der dem Verbrennungsmotor 12 Zufuhrluft zuführt. Zusätzlich beinhaltet der Arbeitsfluidkreislauf 10 einen generell mit 24 gekennzeichneten Einzelladeluftkühler. Der Einzelladeluftkühler 24 ist mit dem Ladeluftdurchlass 16 und dem Zufuhrdurchlass 22 verbunden und stellt eine Fluidverbindung zwischen ihnen her. Der Einzelladeluftkühler 24 dient dazu, das Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas vorgängig vor ihrer Einspeisung in den Verbrennungsmotor 12 durch den Zufuhrdurchlass 22 abzukühlen, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform kann der Abgasdurchlass 14 einen Auspuffkrümmer bzw. Abgassammler 26 aufweisen. Der Auspuffkrümmer 26 ist in Fluidverbindung zwischen der/den Verbrennungskammer(n) des Motors 12 und dem Turbolader 18 stehend verbunden. Der Turbolader 18 beinhaltet eine Turbine 19 und einen Kompressor 21, was beim Stand der Technik allgemein bekannt ist. Unter Druck stehendes Abgas wirkt auf die Turbine 19 ein, die wiederum den Kompressor 21 antreibt. Der Kompressor setzt beispielsweise bei 29 die dem Turbolader 18 zugeführte Zufuhrluft unter Druck, um aufgedrückte Ladeluft zu erzeugen. Die Ladeluft wird wie oben erwähnt zu dem Ladeluftdurchlass 16 geführt. Das zum Antrieb der Turbine 19 verwendete unter Hochdruck stehende Abgas wird an die Atmosphäre entlüftet, wie dies schematisch bei 28 dargestellt ist.
  • Ein Abgasrückführungs-(EGR)-Ventil 30 kann betätigbar in dem Abgasrückführungsdurchlass 20 angeordnet werden. Das EGR-Ventil 30 dient zur Steuerung der Abgasströmung von dem Aus puffkrümmer 26 in den Ladeluftdurchlass 16, aber es umgeht den Turbolader 18. Das EGR-Ventil 30 wird seinerseits durch ein (nicht dargestelltes) zentrales Motorsteuergerät in Ansprechen auf vorbestimmte Motorbetriebsparameter gesteuert.
  • Zur Unterstützung der Abgasrückführung wird manchmal ein Gegendruck an den Turbinenauslass angelegt. Zu diesem Zweck kann ein Turbolader mit variabler Düsenturbine (VNT) benutzt werden. In diesem Fall werden eine Düse oder Leitschaufeln in Ansprechen auf einen Befehl von dem Motorsteuerungsmodul geschlossen. Ein generell mit 32 gekennzeichneter Venturi kann ebenfalls zur Unterstützung der Abgasrückführung benutzt werden. Der Venturi 32 wird an der Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftdurchlass 16 und dem Abgasrückführungsdurchlass 20 ausgebildet. Der Venturi 32 trägt dazu bei, die Strömung von dem Abgasrückführungsdurchlass 20 in den Ladeluftdurchlass 16 hinein zu ziehen. Zusätzlich kann ein Strömungsmesssensor 34 zwischen dem EGR-Ventil 30 und dem Ladeluftdurchlass 16 angeordnet werden, um die Abgasströmung durch den Abgasrückführungsdurchlass 20 zu erfassen. Der Strömungsmesssensor 34 kann von jedem geeigneten Typ sein, beispielsweise (1) vom Differentialdruckmesstyp, der einen Venturi und einen Drucksensor verwendet oder (2) eine Hitzdraht-Anemometervorrichtung zur Messung des Luftstroms.
  • In der bevorzugten Ausführungsform kann das Verhältnis des Massenluftstroms der Ladeluft zu dem durch den Ladeluftdurchlass 16 strömenden zurückgeführten Abgas einen vorbestimmten Wert annehmen. Daher kann in einem nicht eingrenzenden Beispiel die von dem Kompressor 21 des Turboladers 18 zugeführte Zufuhrluft einen Massenluftstrom von 35 kg/min bei 251° C aufweisen. Andererseits kann der Massenluftstrom an zurückgeführtem Abgas 5,8 kg/min bei 594° C betragen. Die Vermischung des zurückgeführten Abgases mit der Ladeluft erhöht die Temperatur der Zufuhrluft, die durch den Zufuhrkrümmer 22 zu den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors 12 strömt, auf unerwünschte Pegel. Wie in diesem repräsentativen Beispiel würde das Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas, das sich vor dem Einzelladeluftkühler 24 durch den Ladeluftdurchlass 16 bewegt, einen Massenluftstrom von 40,8 kg/min bei 312° C haben. Dementsprechend muss dieses Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Einzelladeluftkühler 24 gekühlt werden, bevor es zu den Verbrennungskammern geführt wird.
  • Für diesen Zweck beinhaltet der generell mit 24 gekennzeichnete Einzelladeluftkühler eine generell mit 36 bezeichnete erste Verzweigungsanordnung, die mit dem Ladeluftdurchlass 16 in Fluidverbindung steht, sowie eine generell mit 38 bezeichnete zweite Verzweigungsanordnung, die mit dem Zufuhrdurchlass 22 für den Verbrennungsmotor 12 in Fluidverbindung steht. Wie am besten anhand der 2A, 3A und 4A ersichtlich beinhaltet die erste Verzweigungsanordnung 36 ein erstes Rohr 40 und einen ersten Verzweiger 42. Ähnlich dazu beinhaltet die zweite Verzweigungsanordnung 38 ein zweites Rohr 44 und einen zweiten Verzweiger 46. Wie in den 2B, 3B und 4B dargestellt erstreckt sich eine Mehrzahl an Kühldurchlässen 48 zwischen der ersten Verzweigungsanordnung 36 und der zweiten Verzweigungsanordnung 38 des Einzelladeluftkühlers 24. Im einzelnen erstrecken sich diese Kühldurchlässe 48 zwischen dem ersten Verzweiger 42 und dem zweiten Verzweiger 46. Die Kühldurchlässe 48 sind mit Abstand untereinander angeordnet, sodass Staudruckluft, die generell durch den Pfeil "R" in 1 gekennzeichnet wird, über diese Durchlässe 48 und durch Kühlrippen 5 strömen kann. Zusätzlich zu dieser Staudruckluft kann ein von dem Verbrennungsmotor 12 angetriebener Lüfter 60 dazu verwendet werden, Luft über die Kühldurchlässe 48 zu ziehen. Auf diese Weise stellen die Kühldurchlässe 48 einen Weg für das Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Einzelladeluftkühler 24 bereit, das dadurch gekühlt wird. Es sollte sich verstehen, dass der Arbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung am wahrscheinlichsten in einem Fahrzeug mit einem Flüssigmedien-Kühlsystem für den Motor 12 installiert wird. Wenn dies der Fall ist, wie in 1 dargestellt, wird ein bei 62 in gestrichelten Linien dargestellter Motorkühler-Wärmetauscher in dem Staudruckluftstrom gemeinsam mit dem Kühler 24 installiert werden. Empirische Bestimmungen haben gezeigt, dass ein größerer Kühleffekt für sowohl den Kühler 24 wie den Kühler 62 auftritt, wenn der Kühler 24 vor dem Kühler 62 montiert wird. Somit ist es bevorzugt, obgleich der Kühler 62 vor dem Kühler 24 in dem Staudruckluftstrom vorgesehen werden kann, dass der Kühler 24 wie dargestellt vor dem Kühler 62 montiert wird.
  • Der Einzelladeluftkühler 24 beinhaltet weiterhin ein Stromventil 52, das betätigbar zwischen der ersten Verzweigungsanordnung 36 und der zweiten Verzweigungsanordnung 38 angeordnet ist. Im einzelnen wird das Stromventil 52 zwischen den ersten und zweiten Rohren 40 und 44 angeordnet, wenn diese über der Oberseite des Kühlers 24 nebeneinander liegend montiert werden. Das Stromventil 52 ist zwischen Vorwärts-, Umgehungs-, und Umkehr-Stellungen bewegbar, um die Strömung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Kühler 24 zu steuern. Wie in den 1 bis 2B illustriert sorgt die Vorwärtsstellung des Ventils 52 für eine Vorwärtsströmung durch die Kühldurchlässe 48. Wie dargestellt ist die Vorwärtsströmung der vollständige Kühlungsmodus, bei dem das Steuerventil 52 das gesamte Gemisch aus Ladeluft und EGR-Gas durch das erste Rohr 40 hinunter in den ersten Verzweiger 42 führt, wodurch der Strom durch die Kühldurchlässe 48 wie in den Figuren dargestellt von rechts nach links weiter verteilt wird. Der Strom wird durch die Staudruckluft gekühlt, während er durch die Kühldurchlässe 48 und in den zweiten Verzweiger 46 strömt. Anschließend fließt der Strom durch das zweite Rohr 44 und tritt in den Zufuhrdurchlass 22 ein.
  • Wie am einfachsten in den 3A und 3B ersichtlich stellt die Umgehungsstellung des Ventils 52 einen Strom bereit, der sich zwischen den ersten und zweiten Rohren 40 und 44 bewegt und die Kühldurchlässe 48 umgeht. 3A zeigt, wie sich das Stromventil 52 derart bis zu einer Stellung hin öffnet, dass sich das Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas direkt von dem ersten Rohr 40 zu dem zweiten Rohr 44 bewegt, ohne in den ersten Verzweiger 42 einzutreten und die Kühldurchlässe 48 zu durchqueren. Dies führt dem Zufuhrdurchlass 22 und dem Motor 12 ein ungekühltes Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas zu, das unter gewissen vorbestimmten Bedingungen notwendig sein kann. Dabei sollte sich verstehen, dass das Strombegrenzungsventil 52 durch einen Steuerarm 54 unter der Anwahlsteuerung einer (nicht dargestellten) Betätigungsvorrichtung und einer (ebenfalls nicht dargestellten) Steuerungsvorrichtung bzw. Schaltung betätigt werden kann. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung eine Motorsteuerungseinheit (ECU) oder eine andere ähnliche Steuerung sein, die ein abgespeichertes oder programmiertes Steuerverfahren zur Betätigung des Strombegrenzungsventils 52 der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Betätigungsvorrichtung kann ein elektrisch betätigtes und gesteuertes Solenoid sein. Unabhängig davon liegen diese Steuerungsvorrichtungen und die Prädestinationen bezüglich des Betriebs des Stromsteuerventils 52 außerhalb des Rahmens dieser Erfindung und werden insofern in dieser Erläuterung nicht eingeschlossen. Weiterhin sollte sich verstehen, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Stellung des Stromsteuerventils 52 zwischen den Vorwärts- und Umgehungsstellungen variiert wird, sodass die Ausgangstemperatur des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas gemäß den Erfordernissen der Betriebsbedingungen gesteuert werden kann. Im einzelnen bewirken bei bestimmten Zeiten die Umgebungsluftbedingungen zusammen mit den Motortemperaturen und dem Luftzufuhrbedarf das Auftreten einer Kondensation in dem Kühler 24. Wie oben erwähnt können auf Grund des korrodierenden Abgasgehalts solche Kondensationsprodukte zu einer Korrosion in demjenigen Kühler führen, in dem eine Kondensation auftritt. Die negativen Auswirkungen dieser Korrosion stellen eine unerwünschte Betriebsbedingung dar, die durch die selektive Bewegung des Stromsteuerventils 52 zu einer Stellung mit einer größeren Strömungsumgehung überwunden werden, wodurch die Temperatur des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas nachfolgend erhöht und dadurch eine Kondensation vermieden oder beseitigt wird.
  • Zusätzlich und wie in den 4A und 4B illustriert sorgt die Umkehrstellung des Ventils 52 für eine Umkehrreinigungsströmung durch die Kühldurchlässe 48. Befindet sich das Stromventil 52 in dieser Position, wird das gesamte Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas unmittelbar in den zweiten Verzweiger 46 ein- und über die Kühldurchlässe 48 weitergeleitet, und zwar wie in den Figuren dargestellt von links nach rechts von dem ersten Verzweiger durch einen Teil des ersten Rohrs 40 über das zweite Rohr 44 zu dem Zufuhrdurchlass 22 hin. Somit wird die Strömung über die Kühldurchlässe 48 umgekehrt und stellt eine Reinigungsströmung bereit, die jeglichen angesammelten Ruß und Feststoffe der Verbrennungsnebenprodukte entfernt. Obgleich die Steuerung des Stromventils 52 zur Bereitstellung der Umkehrströmung ebenfalls außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegt, sollte sich verstehen, dass die Umkehrströmung ein integrierter Bestandteil des Betriebs des Fluidkreislaufs 10 sein kann. Mit anderen Worten sollte sich verstehen, dass die Hinzufügung einer Umkehrströmungsbedingung erwünscht sein kann, wenn sich der Motor im Leerlauf befindet bzw. zu diesem zurückkehrt, durch die jegliches abgeschiedene Material beispielsweise von jedem Hochlaufen oder jeder Beschleunigung des Motors und Turboladers entfernt wird. Ebenso kann es erwünscht sein, wiederholte Perioden einer Umkehrströmung vorzusehen, wenn Bedingungen vorliegen, bei denen sich eine Kondensation ausbilden kann. Diesbezüglich kann der Einzelladeluftkühler 24 der vorliegenden Erfindung auch einen generell mit 56 gekennzeichneten Kondensationssensor aufweisen, der in der repräsentativen Ausführungsform an einem unteren Bereich des Kühlers 24 vorgesehen wird. Der Sensor 56 ist dazu ausgelegt, das Auftreten von Kondensation in dem Kühler 24 zu erfassen.
  • In dem hier betrachteten repräsentativen Beispiel tritt das Gemisch aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas, das bei annähernd 312° C in den Einzelladeluftkühler 24 eintritt, durch den Auslass 38 aus dem Kühler 24 aus und strömt bei annähernd 60° C entlang des Zufuhrkrümmers 22. Bei diesem Temperaturpegel kann die Luft an dieser Stelle in dem Motorarbeitsfluidkreislauf auf annähernd 332 kPa unter Druck gesetzt werden. Allerdings versteht sich für den Fachmann, dass diese repräsentativen Temperaturpegel, der Massenluftstrom und die hier erläuterten Druckpegel lediglich als illustrativ aufzufassen sind und nicht beabsichtigen, irgendwelche Betriebsbegrenzungen für die vorliegende Erfindung aufzustellen.
  • Somit kann der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung sowohl das zurückgeführte Abgas wie die Ladeluft ohne die Hinzufügung von mehreren Kühlern kühlen. Darüber hinaus kann das zurückgeführte Abgas und die Ladeluft ohne diejenigen Nachteile gekühlt werden, die mit Leckagen verbunden sind, welche in Flüssigkeit/Luft-Kühlungsgrenzflächen verwendenden Wärmetauschern auftreten. Der Ladeluftkühler der vorliegenden Erfindung benutzt eine Querströmung der Staudruckluft zur Kühlung des Gemisches aus zurückgeführtem Abgas und Ladeluft in einem einzigen Durchlauf durch den Kühler. Somit verwendet der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung eine insgesamt einfachere Kühlungsstrategie, beseitigt redundante Komponenten und erhöht die Verlässlichkeit des gesamten Systems.
  • Die Erfindung ist auf illustrative Weise beschrieben worden. Dabei versteht sich, dass die benutzte Terminologie keine Eingrenzung beabsichtigt, sondern der Beschreibung dient. Angesichts dieser Beschreibung sind viele Modifikationen und Variationen der Erfindung möglich. Daher liegt es im Rahmen der beiliegenden Ansprüche, dass die Erfindung auch auf eine andere als die oben spezifizierte Weise angewendet werden kann.

Claims (8)

  1. Motorarbeitsfluidkreislauf für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung verwendet, wobei der Arbeitsfluidkreislauf versehen ist mit: einem Abgasdurchlass, durch den unter Druck stehendes Abgas von dem Verbrennungsmotor strömt, einem Ladeluftdurchlass, und einem durch das von dem Verbrennungsmotor strömenden Abgas angetriebenen Turbolader, der zur Zufuhr von unter Druck gesetzter Luft zu dem Ladeluftdurchlass fungiert; einem sich zwischen dem Abgasdurchlass und dem Ladeluftdurchlass erstreckenden Abgasrückführungsdurchlass, der den Turbolader umgeht und einen Weg für die Umwälzung einer vorbestimmten Menge an Abgas in den Ladeluftdurchlass bereitstellt, um das Abgas mit der Ladeluft zu vermischen; einem Zufuhrdurchlass zur Zufuhr von Zufuhrluft zu dem Verbrennungsmotor; einem Einzelladeluftkühler mit einer in Fluidverbindung mit dem Ladeluftdurchlass stehenden ersten Verzweigungsanordnung, einer in Fluidverbindung mit dem Zufuhrdurchlass stehenden zweiten Verzweigungsanordnung, und einer Mehrzahl an dazwischen angeordneten Kühldurchlässen, wobei die Kühldurchlässe zur Kühlung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas vor der Einspeisung in den Verbrennungsmotor dienen; und einem betätigbar zwischen der ersten Verzweigungsanordnung und der zweiten Verzweigungsanordnung angeordneten Stromventil, das zwischen offenen, Umgehungs-, und Umkehr-Stellungen betätigbar ist, um die Strömung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Kühler zu steuern, wobei die offene Stellung eine Vorwärtsströmung durch die Kühldurchlässe, die Umgehungsstellung eine die Kühldurchlässe umgehende Strömung, und die Umkehrstellung eine Umkehrreinigungsströmung durch die Kühldurchlässe bereitstellt.
  2. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 1, wobei der Einzelladeluftkühler einen zur Erfassung eines Kondensationsaufbaus in dem Kühler ausgelegten Kondensationssensor beinhaltet.
  3. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 1, der ein betätigbar in dem Abgasrückführungsdurchlass angeordnetes Abgasrückführungsventil aufweist, das zur Steuerung der Abgasströmung von dem Abgasdurchlass in den Ladeluftdurchlass dient.
  4. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 3, der einen an der Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftdurchlass und dem Abgasrückführungsdurchlass ausgebildeten Venturi aufweist, um dazu beizutragen, die Strömung von dem Abgasrückführungsdurchlass in den Ladeluftdurchlass zu ziehen.
  5. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 4, der einen zwischen dem Abgasrückführungsventil und dem Venturi angeordneten Drucksensor aufweist, der zur Erfassung des Abgasstroms durch den Abgasrückführungsdurchlass ausgelegt ist.
  6. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 1, wobei der Einzelladeluftkühler mit horizontal zwischen der ersten und der zweiten Verzweigungsanordnung montierten Kühldurchlässe versehen ist, wodurch der Kühler eine Querstromkonfiguration aufweist.
  7. Motorarbeitsfluidkreislauf gemäß Anspruch 6, wobei die erste Verzweigungsanordnung ein entlang des horizontalen Abschnitts des Kühlers parallel zu den Kühldurchlässen montiertes erstes Rohr zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftdurchlass und dem ersten Verzweiger aufweist; und wobei die zweite Verzweigungsanordnung ein entlang des horizontalen Abschnitts des Kühlers parallel zu den Kühldurchlässen montiertes zweites Rohr aufweist, das neben dem ersten Rohr liegt, um für eine derartige Fluidverbindung zwischen dem Zufuhrdurchlass und dem zweiten Verzweiger zu sorgen, dass das Stromventil betätigbar zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr angeordnet ist, um den Gemischstrom aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch das erste und das zweite Rohr und damit die Kühldurchlässe in Vorwärts-, Umgehungs-, und Umkehrströmungswegen selektiv zu steuern.
  8. Einzelladeluftkühler für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung verwendet, wobei der Einzelladeluftkühler versehen ist mit: einem Ladeluftdurchlass zur Aufnahme eines Gemisches aus unter Druck stehender Luft von dem Turbolader und zurückgeführtem Abgas von dem Motorauspuff; einem Zufuhrdurchlass zur Zufuhr des Gemisches aus unter Druck stehender Luft und zurückgeführtem Abgas als aufgeladene Zufuhrluft zu dem Motor; einer ersten Verzweigungsanordnung mit einem in Fluidverbindung mit dem Ladeluftdurchlass stehenden ersten Rohr; einer zweiten Verzweigungsanordnung mit einem in Fluidverbindung mit dem Zufuhrdurchlass stehenden zweiten Rohr; einer Mehrzahl an horizontal angeordneten und in Fluidverbindung zwischen der ersten Verzweigungsanordnung und der zweiten Verzweigungsanordnung stehenden Kühldurchlässen, sodass das erste Rohr entlang des horizontalen Abschnitts des Kühlers parallel zu den Kühldurchlässen montiert ist, um für eine Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftdurchlass und dem ersten Verzweiger zu sorgen, und dass das zweite Rohr entlang des horizontalen Abschnitts des Kühlers neben dem ersten Rohr montiert ist, um eine Fluidverbindung zwischen dem Zufuhrdurchlass und dem zweiten Verzweiger herzustellen, und wobei die Kühldurchlässe zur Kühlung des Gemisches aus unter Druck stehender Luft und zurückgeführtem Abgas vor der Einspeisung in den Motor dienen; und einem betätigbar zwischen dem ersten und den zweitem Rohr angeordneten Stromsteuerventil, das zwischen offenen, Umgehungs-, und Umkehr-Stellungen betätigbar ist, um die Strömung des Gemisches aus Ladeluft und zurückgeführtem Abgas durch den Kühler zu steuern, und wobei die offene Stellung eine Vorwärtsströmung durch die Kühldurchlässe, die Umgehungsstellung eine die Kühldurchlässe umgehende Strömung, und die Umkehrstellung eine Umkehrreinigungsströmung durch die Kühldurchlässe bereitstellt.
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