DE102016015357A1

DE102016015357A1 - Drosseleinrichtung für einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102016015357A1
Application number: DE102016015357.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bleckmann; Claudia Eßmann; Alexander Massner; Michael Stiller; Karl-Heinz Vogel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drosseleinrichtung (10) für einen Abgastrakt (12) einer Verbrennungskraftmaschine (14), mit einer in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (14) durchströmbaren und von einem Abgasrohr (46) begrenzten Abgaskanal (48) anordenbaren Abgasklappe (50), welche um eine Schwenkachse (52) relativ zu dem Abgasrohr (46) verschwenkbar ist, und mit einem Aktor (54), mittels welchem die Abgasklappe (50) um die Schwenkachse (52) verschwenkbar ist, mit – einem Steuernocken (72), mit welchem die Abgasklappe (50) mittels des Aktors (54) in Stützanlage zu halten ist; und – einem von dem Aktor (54) unterschiedlichen, zusätzlich dazu vorgesehenen zweiten Aktor (76), mittels welchem der Steuernocken (72) um eine zweite Schwenkachse (74) verschwenkbar ist, um dadurch Bewegungen der in Stützanlage mit dem Steuernocken (72) gehaltenen Abgasklappe (50) um die erste Schwenkachse (52) zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosseleinrichtung für einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Drosseleinrichtung für einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist beispielsweise bereits der EP 1 074 710 A2 als bekannt zu entnehmen. Die Drosseleinrichtung umfasst eine Abgasklappe, die in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren und von einem Abgasrohr begrenzten Abgaskanal anordenbar ist. Ferner ist die Abgasklappe um eine Schwenkachse relativ zu dem Abgasrohr verschwenkbar. Beispielsweise ist die Abgasklappe zwischen einer Schließstellung in wenigstens einer Offenstellung relativ zu dem Abgasrohr verschwenkbar. In der Schließstellung versperrt die Abgasklappe zumindest einen Teilbereich eines von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts des Abgaskanals, wobei die Abgasklappe in ihrer Offenstellung den Teilbereich freigibt. Außerdem umfasst die Drosseleinrichtung einen Aktor, mittels welchen die Abgasklappe und die Schwenkachse verschwenkbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drosseleinrichtung der eingangsgenannten Art derart weiter zu entwickeln, dass das den Abgaskanal durchströmende Abgas besonders bedarfsgerecht gedrosselt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Drosseleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Drosseleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben Art derart weiterzuentwickeln, dass das Abgas mittels der Abgasklappe besonders bedarfsgerecht gedrosselt werden kann, ist erfindungsgemäß ein Steuernocken vorgesehen, mit welchem die Abgasklappe mittels des Aktors in Stützanlage zu halten ist.
Dabei ist der Aktor beispielsweise dazu ausgebildet, wenigstens eine Kraft zumindest mittelbar auf die Abgasklappe auszuüben und mittels der Kraft die Abgasklappe in Stützanlage mit dem Steuernocken zu halten. Unter der Kraft ist auch ein Drehmoment zu verstehen beziehungsweise aus der von dem Aktor bereitgestellten und zumindest mittelbar auf die Abgasklappe wirkenden Kraft kann ein beispielsweise um die Schwenkachse und auf die Abgasklappe wirkendes Drehmoment resultieren, mittels welchem die Abgasklappe in Stützanlage mit dem Steuernocken gehalten wird. Unter der Stützanlage ist zu verstehen, dass die Abgasklappe zumindest mittelbar an dem Steuernocken abgestützt wird, wobei die Abgasklappe mittels des Aktors in Stützanlage mit dem Steuernocken gehalten wird.
Erfindungsgemäß ist ferner ein von dem Aktor unterschiedlicher, zusätzlich zu dem Aktor vorgesehener zweiter Aktor vorgesehen, mittels welchen der Steuernocken um eine zweite Schwenkachse verschwenkbar ist, um dadurch Bewegungen der in Stützanlage mit dem Steuernocken gehaltenem Abgasklappe um die erste Schwenkachse zu bewirken, insbesondere während die Abgasklappe mittels des Aktor in Stützanlage mit dem Steuernocken gehalten ist beziehungsweise während die Kraft auf die Abgasklappe wirkt.
Der erste Aktor ist beispielsweise als einfacher Auf-Zu-Aktor ausgestaltet, welcher auch als Schwarz-Weiß-Aktor bezeichnet wird. Mittels des ersten Aktors ist die Abgasklappe beispielsweise zwischen genau zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen verschwenkbar, wobei eine erste der Stellungen beispielsweise eine Schließstellung und eine zweite der Stellungen eine Offenstellung ist. In der Schließstellung versperrt die Abgasklappe beispielsweise zumindest einen Teilbereich eines von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts des Abgaskanals, wobei die Abgasklappe in ihrer Offenstellung den Teilbereich freigibt. Mittels der zuvor beschriebenen, zumindest mittelbar von dem ersten Aktor auf die Abgasklappe ausgeübten Kraft kann die Abgasklappe aus einer der Stellungen in die andere Stellung bewegt werden.
Da sich beispielsweise die Abgasklappe in Stützanlage mit dem Steuernocken befindet, wird mittels des Steuernockens zunächst eine Bewegung der Abgasklappe aus der einen Stellung in die andere Stellung vermieden. Wird nun beispielsweise der Steuernocken um die zweite Schwenkachse verschwenkt, so können dadurch beispielsweise weitere, von den zuvor genannten Stellungen unterschiedliche und beispielsweise als Zwischenstellungen zwischen den zuvor genannten Stellungen ausgebildete Stellungen der Abgasklappe realisiert werden, wobei es mittels des zweiten Aktors und mittels Steuernockens möglich ist, nur sehr geringe Winkel, um die die Abgasklappe um die erste Schwenkachse verschwenkt wird, einzustellen. Dadurch kann die Abgasklappe bedarfsgerecht und besonders präzise in unterschiedliche Stellungen geschwenkt werden, sodass eine besonders vorteilhafte Regelbarkeit beziehungsweise Steuerbarkeit der Abgasklappe darstellbar ist. Die Abgasklappe wird auch als Bremsklappe oder Drosselklappe bezeichnet, da mittels der Abgasklappe ein Abgasgegendruck für die Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung ist somit ein Drosselsystem, mittels welchen das den Abgaskanal durchströmende Abgas besonders bedarfsgerecht gedrosselt beziehungsweise aufgestaut werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die als Drossel fungierende Abgasklappe in Strömungsrichtung des Abgases stromauf beziehungsweise vor wenigstens einer in dem Abgas angeordneten Turbine angeordnet ist, wodurch das sogenannte Turboladerölen und Blow-By besonders gering gehalten werden können. Die Turbine ist beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, mittels welchem wenigstens ein beispielsweise als Zylinder ausgebildeter Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft versorgt werden kann.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zu Grunde: Für eine effiziente Abgasreinigung, welche auch als Abgasnachbehandlung bezeichnet wird, sind hinreichend hohe Abgastemperaturen erforderlich. Bei diesen motorischen Anwendungen sinkt die Abgastemperatur Prinzip bedingt durch einen mageren Betrieb, insbesondere in der unteren Teillast, wodurch es zu einer starken Interaktion zwischen der Verbrennungskraftmaschine und einer die Abgasnachbehandlung durchführenden Abgasnachbehandlungseinrichtung kommen kann. Moderne Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, weisen üblicherweise einen oder mehrere Abgasturbolader oder kombinierte Aufladesysteme aus elektrischer und mechanischer Aufladeeinrichtung sowie wenigstens einen Ladeluftkühler auf. Je nach Anwendung ist die Turbine als Festgeometrie-Turbine, als Wastegate-Turbine oder als variable Turbine ausgeführt. Um die Stickoxid-Emissionen gering zu halten, kann eine gekühlte oder aber ungekühlte und/oder geregelte Abgasrückführung zum Einsatz kommen. Eine Kühlung des rückzuführenden Abgases ist nicht zwangsläufig erforderlich. Dies hängt von der Volllast-Auslegung insbesondere hinsichtlich Abgastemperatur, maximalem Spitzendruck und Zielleistung, dem Wirkungsgrad eines etwaig vorgesehenen SCR-Katalysators, von Stickoxid-Zielwerten (NO_x-Zielwerten) und den sich daraus ergebenden Stickoxid-Rohemissionen, einem Harnstoffverbrauch und einer Harnstoffhydrolyse ab.
Eine moderne Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst üblicherweise einen DOC (Dieseloxidationskatalysator), einen Dieselpartikelfilter (DPF) und einem SCR-Katalysator (SCR – selektive katalytische Reduktion). Es erfordert hohe Abgastemperaturen für eine aktive Rußoxidation im DPF, und für die übrige Zeit wird eine ausreichend hohe SCR-Temperatur angestrebt, um eine katalytische Reduktion von etwaig in dem Abgas enthaltenden Stickoxiden zu realisieren. Hierbei gilt es üblicherweise, in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine den SCR-Katalysator in einem Temperaturbereich von größer als 200 Grad Celsius zu halten. In einem Regenerationsbetrieb sollte der DOC je nach Auslegung über seine Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur) von circa 220 Grad Celsius bis 300 Grad Celsius gebracht werden. Danach wird zusätzlich eingespritzter Kraftstoff am DOC oxidiert, wodurch die Abgastemperatur angehoben und eine Sauerstoff basierte Oxidation von in dem Partikelfilter abgelagertem Ruß stattfinden kann.
Zur Realisierung einer Temperaturanhebung des Abgases beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine existieren unterschiedliche Luft-Management-Möglichkeiten wie beispielsweise eine Ansaugluftdrosselklappe, ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, ein Turbolader mit Wastegate und/oder ein Auslassphasensteller. Als sehr wirkungsvoll zur Realisierung hoher Abgastemperaturen hat sich jedoch der Einsatz wenigstens einer Abgasklappe beziehungsweise eine Bremsklappe erwiesen, welche beispielsweise mittels des ersten Aktors regelbar ist.
Allerdings existiert üblicherweise in der Auslegung ein Zielkonflikt zwischen Druckverlust bei hohen Volumenströmen im verbrauchsrelevanten Fahrbereich und einer hohen Dichtheit im unteren Teillastgebiet, wie sie für das Thermomanagement bei einer Regeneration des Partikelfilters erforderlich ist, oder im Bremsbetrieb bei geringen Motordrehzahlen gewünscht ist. Üblicherweise ist die Abgasklappe als sogenanntes Butterfly-Valve (Schmetterlingsventil) ausgebildet, wobei die Abgasklappe sich beidseits an die erste Schwenkachse anschließende Flügel zum Versperren des Teilbereichs aufweist. Üblicherweise ist die Durchflusscharakteristik von herkömmlichen Abgasklappen sehr nicht-linear, woraus große Druckänderungen bei kleinen Winkeländerungen resultieren. Hohe Reibmomente und Gaskräfte erfordern große und präzise Aktoren sowie spielfreie und kostenintensive Gelenkstangen. Diese Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen, als Drossel wirkenden Drosseleinrichtung vermieden werden, da durch den Einsatz des zweiten Aktors und des Steuernockens unterschiedliche Stellungen der Abgasklappe besonders bedarfsgerecht und präzise auf einfache und somit kostengünstige Weise realisiert beziehungsweise eingestellt werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Längsschnittansicht einer Drosseleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasklappe, mit einem ersten Aktor, mittels welchen die Abgasklappe um eine erste Schwenkachse verschwenkbar ist, mit einem Steuernocken, mit welchem die Abgasklappe mittels des ersten Aktors in Stützanlage zu halten ist, und mit einem zweiten Aktor, mittels welchem der Steuernocken um eine zweite Schwenkachse verschwenkbar ist, um dadurch Bewegungen der in Stützanlage mit den Steuernocken gehaltenen Abgasklappe um die erste Schwenkachse zu bewirken;
2 eine weitere schematische Längsschnittansicht der Drosseleinrichtung gemäß 1;
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Drosseleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine; und
8 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen in einer jeweiligen schematischen Längsschnittansicht eine mit 10 bezeichnete Drosseleinrichtung für einen Abgastrakt 12 (4 und 5) einer Verbrennungskraftmaschine 14 (4 und 5). Die Verbrennungskraftmaschine 14 ist eine Komponente eines beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine 14 antreibbar ist. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine 14 beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 14 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse ausgebildetes Gehäuse 16 auf, durch welches mehrere, als Zylinder 18 der Verbrennungskraftmaschine 14 ausgebildete Brennräume gebildet beziehungsweise begrenzt sind.
Die Verbrennungskraftmaschine 14 weist einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 20 auf, mittels welchem den Ansaugtrakt 20 durchströmende Luft zu den und insbesondere in die Zylinder 18 geführt wird. Den Zylindern 18 werden die Luft sowie ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 14 zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 18 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 resultiert. Das Abgas aus den Zylindern 18 kann mittels des Abgastrakts 12 aus den Zylindern 18 abgeführt werden, sodass der Abgastrakt 12 von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 durchströmbar ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 14 umfasst wenigstens einen Abgasturbolader 22, welcher einen im Ansaugtrakt 20 angeordneten Verdichter 24 und eine im Abgastrakt 12 angeordnete und von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 antreibbare Turbine 26 umfasst. Der Verdichter 24 ist von der Turbine 26 antreibbar. Durch Antreiben des Verdichters 24 wird die den Ansaugtrakt 20 durchströmende Luft verdichtet. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet. Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 20 stromab des Verdichters 24 ein Ladeluftkühler 28 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird. Ferner ist in dem Ansaugtrakt 20 stromab des Ladekühlers 28 eine Drosselklappe 30 angeordnet, mittels welcher beispielsweise eine den Ansaugtrakt 20 durchströmende und den Zylindern 18 zuzuführende Menge der Luft eingestellt werden kann.
Die Verbrennungskraftmaschine 14 umfasst ferner eine Abgasrückführeinrichtung 32, welche wenigstens eine Abgasrückführleitung 34 umfasst. Die Abgasrückführleitung 34 ist einerseits fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und andererseits fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden, sodass mittels der Abgasrückführleitung 34 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 12 durchströmende Abgases aus dem Abgastrakt 12 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 20 rückgeführt werden kann. Das aus dem Abgastrakt 12 abgezweigte und die Abgasrückführleitung 34 durchströmende Abgas kann aus der Abgasrückführleitung 34 aus- und in den Ansaugtrakt 20 einströmen. Das in den Ansaugtrakt 20 einströmende Abgas wird von der Luft mitgenommen und in die Zylinder 18 transportiert. Dadurch kann mittels der Abgasrückführeinrichtung 32 eine sogenannte Abgasrückführung (AGR) realisiert werden. In der Abgasrückführleitung 34 ist beispielsweise ein Abgasrückführventil 36 angeordnet, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden beziehungsweise die Abgasrückführleitung 34 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Optional ist in der Abgasrückführleitung 34 ein Abgasrückführkühler 38 angeordnet, mittels welchem das rückzuführende und die Abgasrückführleitung 34 durchströmende Abgas gekühlt werden kann.
Aus 4 ist erkennbar, dass der Turbine 26 eine Umgehungsleitung 40 zugeordnet ist, über welche zumindest ein Teil des den Abgastrakt 12 durchströmenden Abgases die Turbine 26 umgehen kann. Das die Umgehungsleitung 40 durchströmende Abgas treibt die Turbine 26 nicht an, sondern umgeht die Turbine 26. In der Umgehungsleitung 40 ist ein Ventilelement 42 angeordnet, mittels welchem eine die Umgehungsleitung 40 durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Die Umgehungsleitung 40 wird auch als Bypass oder Wastegate bezeichnet, wobei das Ventilelement 42 auch als Bypass-Ventil oder als Wastegate-Ventil bezeichnet wird.
Stromab der Turbine 26 ist im Abgastrakt 12 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 44 angeordnet, mittels welcher eine Abgasnachbehandlung durchgeführt wird. Mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 44 wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 nachbehandelt. Beispielsweise umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 44 wenigstens einen Oxidationskatalysator, insbesondere wenigstens einen Diesel-Oxidationskatalysator, wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere wenigstens einen Dieselpartikelfilter, und/oder wenigstens einen SCR-Katalysator (SCR – selektive katalytische Reduktion).
Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die als Drosselsystem wirkende Drosseleinrichtung 10 eine in einem von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 14 durchströmbaren und von einem Abgasrohr 46 begrenzten Abgaskanal 48 anordenbare beziehungsweise angeordnete Abgasklappe 50 umfasst, welche um eine erste Schwenkachse 52 relativ zum Abgasrohr 46 verschwenkbar ist. Vorliegend ist das Abgasrohr 46 Bestandteil der Drosseleinrichtung 10 beziehungsweise des Abgastrakts 12, wobei die Abgasklappe 50 in dem Abgaskanal 48 angeordnet ist. Ferner umfasst die Drosseleinrichtung 10 einen ersten Aktor 54, mittels welchem die Abgasklappe 50 um die erste Schwenkachse 52 verschwenkbar ist. Insbesondere kann die Abgasklappe 50 mittels Aktors 54 zwischen einer in 1 gezeigten Schließstellung und einer in 2 gezeigten Offenstellung verschwenkt werden, sodass der Aktor 54 beispielsweise als Auf-Zu-Aktor ausgebildet ist. Hierbei ist beispielsweise die Schließstellung eine erste Stellung, wobei die Offenstellung eine zweite Stellung ist. Mittels des Aktors 54 alleine kann die Abgasklappe 50 beispielsweise lediglich in die zwei Stellungen geschwenkt werden.
1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Drosseleinrichtung 10, welche bei der ersten Ausführungsform in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 12 stromab der Turbine 26 angeordnet ist. Aus 1 ist dabei erkennbar, dass die Turbine 26 ein Turbinengehäuse 56 und ein drehbar in dem Turbinengehäuse 56 angeordnetes Turbinenrad 58 umfasst.
Ferner ist bei der ersten Ausführungsform der erste Aktor 54 als pneumatisch betreibbarer Aktor ausgebildet. Dabei umfasst der Aktor 54 einen Zylinder 60 und einen in dem Zylinder 60 translatorisch bewegbar aufgenommenen Kolben 62, wobei der Zylinder 60 und der Kolben 62 jeweils teilweise eine Arbeitskammer 64 des Aktors 54 begrenzen.
Ferner umfasst der Aktor 54 eine mit dem Kolben 62 verbundene und dadurch mit dem Kolben 62 relativ zum Zylinder 60 translatorisch mitbewegbare Kolbenstange 66, über welche der Aktor 54 mit der Abgasklappe 50 gekoppelt ist. Außerdem umfasst der Aktor 54 eine einerseits an dem Zylinder 60 andererseits dem Kolben 62 abgestützte Feder 68, welche vorliegend in der Arbeitskammer 64 angeordnet ist. Durch Einleiten eines Gases, insbesondere von Luft, in die Arbeitskammer 64 wird der Kolben 62 von einem Boden 70 des Zylinders 60 wegbewegt, wodurch die Kolbenstange 66 in den Zylinder 60 eingefahren und die Feder 68 gespannt wird. In der Folge wird die Abgasklappe 50 aus der Offenstellung in die Schließstellung geschwenkt. Wird das Gas aus der Arbeitskammer 64 abgeführt, so kann sich die Feder 68 entspannen, wodurch der Kolben 62 in Richtung des Bodens 70 bewegt wird. Dadurch wird die Kolbenstange 66 ausgefahren, wodurch die Abgasklappe 50 aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Aktor 54 im drucklosen Zustand offen ist, sodass im drucklosen Zustand, das heißt dann, wenn eine von der Feder 68 bereitgestellte Federkraft größer als eine Kraft ist, die aus einem in der Arbeitskammer 64 Druck resultiert, die Kolbenstange 66 ausgefahren wird beziehungsweise ausgefahren ist, sodass die Offenstellung der Abgasklappe 50 eingestellt ist beziehungsweise wird.
Um nun das den Abgaskanal 48 durchströmende Abgas besonders bedarfsgerecht drosseln zu können, umfasst die Drosseleinrichtung 10 einen Steuernocken 72, welcher um eine von der Schwenkachse 52 beabstandete, zweite Schwenkachse 74 relativ zu dem Abgasrohr 46 verschwenkbar ist. Ferner ist die Abgasklappe 50 mit dem Steuernocken 72 mittels des ersten Aktors 54 in Stützanlage zu halten, indem der Aktor 54 über die Kolbenstange 66 eine Kraft auf die Abgasklappe 50 ausübt. Mit dieser Kraft wird die Abgasklappe 50 in Stützanlage mit den Steuernocken 72 gehalten und vorliegend gegen den Steuernocken 72 gedrückt.
Außerdem umfasst die Drosseleinrichtung 10 einen in 1 besonders schematisch dargestellten, von dem Aktor 54 unterschiedlichen und zusätzlichen zu dem Aktor 54 vorgesehenen zweiten Aktor 76, mittels welchem der Steuernocken 72 um die zweite Schwenkachse 74 verschwenkbar ist, um dadurch Bewegungen der in Stützanlage mit dem Steuernocken 72 gehaltenen Abgasklappe 50 um die erste Schwenkachse 52 zu bewirken, während die Abgasklappe 50 mittels des ersten Aktors 54 in Stützanlage mit dem Steuernocken 72 gehalten ist.
Wird beispielsweise Gas in die Arbeitskammer 64 eingeleitet, so übt der Aktor 54 eine Kraft auf die Abgasklappe 50 aus. Aus dieser Kraft resultiert ein um die Schwenkachse 52 wirkendes Drehmoment, mittels welchem – wenn der Steuernocken 72 nicht vorgesehen beziehungsweise in einer entsprechenden Stellung ist – die Abgasklappe 50 vollständig in die Schließstellung bewegt werden kann. Da nun jedoch der Steuernocken 72 vorgesehen ist beziehungsweise sich in einer entsprechenden Stellung befindet, wird die Abgasklappe 50 nicht vollständig in die Offenstellung bewegt, sondern die Abgasklappe 50 wird mittels der von dem Aktor 54 hergestellten Kraft in Stützanlage mit dem Steuernocken 72 gehalten. Durch Verschwenken und somit durch rotatorisches Bewegen des Steuernockens 72 um die Schwenkachse 74 können besonders geringfügige Schwenkbewegungen der Abgasklappe 50 um die Schwenkachse 52 bewirkt beziehungsweise zugelassen werde, insbesondere in Richtung der Schließstellung und/oder in Richtung der Offenstellung, sodass die Abgasklappe 50 besonders präzise in unterschiedliche Stellungen beziehungsweise Schwenkstellungen bewegt werden kann.
Insgesamt ist erkennbar, dass der als Nocken ausgebildete Steuernocken 72 rotatorisch gelagert ist und mit Hilfe des zweiten Aktors 76 gedreht, das heißt um die Schwenkachse 74 verschwenkt werden kann. Dadurch können besonders geringe Öffnungs- beziehungsweise Schwenkwinkel der Abgasklappe 50 besonders präzise eingestellt werden, wobei der Aktor 76 besonders klein und somit gewichtsgünstig und damit baugünstig ausgelegt werden kann. Vorzugsweise sitzt der beispielsweise als Stellmotor ausgebildete Aktor 76 auf der als Drehachse ausgebildeten Schwenkachse 74 des Steuernockens 72. Durch eine thermische Entkopplung kann vorzugsweise eine Wasserkühlung vermieden werden.
Um zahlreiche Produktionstoleranzen ausschließen zu können, sollte ein geschlossener Regelkreis oder eine Lernfunktion zum Einsatz kommen. Hierbei bietet sich eine Druckmessung stromauf der Abgasklappe 50 und dabei stromauf oder stromab der Turbine 26 an. Der Druck sollte im Bremsbetrieb nicht zu hoch werden, da ansonsten Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine 14 unkontrolliert öffnen könnten. In befeuerten Betrieb kann für höhere Einspritzmengen eine Lambda-Regelung zum Einsatz kommen. Diese kann entweder mit Hilfe einer Lambda-Sonde, eines Lambda-Signals, eines Stickoxid-Sensors und/oder aus dem Verbrennungsluftverhältnis (Kraftstoff-Luft-Verhältnis) im Motorsteuergerät berechnet werden. Durch eine Korrektur- beziehungsweise Lernfunktion einer Vorsteuerung kann ein sicherer Betrieb auch für Kleinstmengen erfolgen beziehungsweise ein sicherer Bremsbetrieb dargestellt werden.
Alternativ ist es denkbar, dass die Abgasklappe 50 stromauf, das heißt vor der Turbine 26 angeordnet ist. In 4 ist schematisch eine in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 12 stromauf der Turbine 26 angeordnete Abgasklappe 78 gezeigt, auf die die Ausführungen zur Abgasklappe 50 beziehungsweise Drosseleinrichtung 10 ohne weiteres übertragen werden können. Somit kann beispielsweise die Abgasklappe 78 alternativ oder zusätzlich zu der Abgasklappe 50 beziehungsweise zur Drosseleinrichtung 10 zum Einsatz kommen.
Insbesondere aus der DE 197 27 141 C1 ist ein stromauf der Turbine angeordnetes Drosselsystem bekannt, welches einen in der DE 197 27 141 C1 mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten Schieber umfasst. Dadurch kann der Druck am Turbinenrad stark reduziert werden. Der Axialschub geht zurück. Dadurch wird das Axiallager entlastet und es wird weniger Blow-By-Gas über die Turbinenwelle erzeugt. Weiterhin kann üblicherweise es bei hohen Abgasdrücken und wenig Ladedruck zum Verdichterölen kommen. Dies ist durch eine Drosselung vor der Turbine stark reduziert. Der Schieber ist beispielsweise als Leitgitter oder einfach als unbeschaufelter Ring kontinuierlich in der Düse nach der Spirale verschiebbar. Der aufgestaute Druck kann über das Turbinenrad entspannt werden, wodurch zusätzlich Ladedruck gewonnen werden kann. Der erhöhte Massenstrom führt wiederum zu mehr Abgasgegendruck und erhöhter Bremsleistung. Es ergibt sich ein aufgeladenes Motorbremssystem. Dieses aufgeladene Motorbremssystem wird auch als Turbobrake bezeichnet. Im Regenerationsbetrieb wird die Motorbremse im befeuerten Betrieb genutzt. Der zusätzliche Ladedruck beziehungsweise die erhöhte Turboladerdrehzahl hilft, die Motordynamik zu verbessern.
3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine zweite Ausführungsform der Drosseleinrichtung 10. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Abgasklappe 50 stromauf der Turbine 26 beziehungsweise stromauf des Turbinenrads 58 angeordnet. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Drosseleinrichtung 10, insbesondere die Abgasklappe 50, in einen Krümmer 80 integriert, welchem – wie in 3 durch Pfeile 82 veranschaulicht ist – das Abgas aus wenigstens zwei der Zylinder 18 zugeführt wird. Das von den Zylindern 18 kommende Abgas wird mittels des Krümmers 80 gesammelt und zur Turbine 26 geleitet. Die Abgasklappe 50 kann besonders klein ausgeführt werden, sodass Stellkräfte zum Verschwenken der Abgasklappe besonders gering gehalten werden können. Außerdem kann ein Bauraumvorteil realisiert werden. Die Abgasklappe 50 sollte im offenen Zustand nur einen geringen Druckverlust bewirken und sich auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 14 nicht auswirken. Im Abgas enthaltene Energie kann über die Turbine 26 nutzbar in Ladedruck umgesetzt werden, auf welchen die Luft verdichtet wird. Dadurch kann die Ladungswechselarbeit erhöht werden, und der Abgasmassenstrom steigt. Im Bremsbetrieb führt der zusätzliche Ladedruck zu mehr Ladungswechselarbeit und damit mehr Bremsleistung. Wärme kann durch den erhöhten Luftmassenstrom effektiv abgeführt werden, sodass es zu keiner erhöhten mechanischen Belastung kommt.
Aus 3 ist erkennbar, dass am Krümmer 80 optional ein Anschluss 84 für einen in den Fig. nicht dargestellten Drucktank angeordnet sein kann. Der Drucktank kann über ein in 4 schematisch dargestelltes Ventil 86 mit Abgas aus dem Krümmer 80 gefüllt werden, sodass der Drucktank über das Ventil 86 fluidisch mit dem Krümmer 80 verbunden ist. Im Schubbetrieb wird der Drucktank bei geschlossenem Abgasrückführventil 36 und geschlossener, als Bremsklappe fungierender Abgasklappe 50 mit Abgas gefüllt. Bei einem Lastsprung beziehungsweise bei einem Luftmangelbetrieb kann in dem Drucktank gespeicherter Druck genutzt werden, um die Turbine 26 beziehungsweise das Turbinengehäuse 56 zu beschleunigen und in der Folge Ladedruck aufzubauen. Vorzugsweise ist das Ventil 86 heißgasfest ausgelegt. Diese Funktion kann ebenfalls für den gefahrenen Betrieb verwendet werden. Zum Einsatz kommende Teile sollten abgasfest und für hohe Temperaturen ausgelegt sein. Im Drucktank kann Kondensat anfallen, welches beispielsweise zeitweise abgeblasen wird.
Um unterschiedliche Stellungen der Abgasklappe 50 besonders präzise einstellen zu können, ist der Aktor 76 vorzugsweise als elektrisch betreibbarer Aktor, das heißt als elektrischer Aktor ausgebildet, sodass der Steuernocken 72 als elektrischer Steuernocken ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise mittels des Aktors 54 eine Grobeinstellung beziehungsweise eine Grobregelung der Abgasklappe 50 realisiert werden, wobei mittels des Steuernockens 72 und des Aktors 76 eine Feineinstellung beziehungsweise eine Feinregelung der Abgasklappe 50 realisiert werden kann.
4 zeigt die Verbrennungskraftmaschine 14 gemäß einer ersten Ausführungsform, bei welcher die Abgasrückführleitung 34 an einer stromauf der Turbine 26 angeordneten Abzweigstelle fluidisch mit dem Abgastrakt 12 verbunden ist. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 14, wobei bei der zweiten Ausführungsform die Abzweigstelle stromab der Turbine 26 und stromauf der Abgasklappe 50 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass bei der Verbrennungskraftmaschine 14 gemäß 5 das Abzweigen beziehungsweise die Entnahme von rückzuführendem Abgas nach der Turbine 26 und vor der Abgasklappe 50 erfolgt. Ferner ist bei der zweiten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 14 die Abgasrückführung ungekühlt, da die Abgasrückführeinrichtung 32 keinen Abgasrückführkühler zum Kühlen des rückzuführenden Abgases aufweist. Die ungekühlte Abgasrückführung wird somit durch das Abgasrückführventil 36 reguliert beziehungsweise eingestellt. Die Menge des rückzuführenden Abgases kann mittels des Abgasrückführventils 36 und mittels der Abgasklappe 50 eingestellt werden, da mittels der Abgasklappe 50 ein Aufstauverhalten des Abgastrakts 12 bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft für Abgasrückführungen im unteren Teillastgebiet, so lange ein in dem Ansaugtrakt 20 herrschender Druck, der auch als Saugrohrdruck bezeichnet wird, nur geringfügig von dem stromab der Turbine 26 herrschenden Abgasdruck abweicht. Durch Schließen der Abgasklappe 50 kann ein hinreichendes Spülgefälle eingestellt werden.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher beispielsweise die die Abgasrückführeinrichtung 32 gemäß 4 zum Einsatz kommen kann. Alternativ oder zusätzlich zur Abgasrückführeinrichtung 32 kann eine Abgasrückführeinrichtung 114 zum Einsatz kommen, welche wenigstens eine Abgasrückführleitung 116 umfasst. Die Abgasrückführleitung 116 ist einerseits fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und andererseits fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden, sodass mittels der Abgasrückführleitung 116 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 12 durchströmende Abgases aus dem Abgastrakt 12 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 20 rückgeführt werden kann. Das aus dem Abgastrakt 12 abgezweigte und die Abgasrückführleitung 116 durchströmende Abgas kann aus der Abgasrückführleitung 116 aus- und in den Ansaugtrakt 20 einströmen. Das in den Ansaugtrakt 20 einströmende Abgas wird von der Luft mitgenommen und in die Zylinder 18 transportiert. Dadurch kann mittels der Abgasrückführeinrichtung 114 eine Abgasrückführung (AGR) realisiert werden. In der Abgasrückführleitung 116 ist beispielsweise ein Abgasrückführventil 118 angeordnet, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden beziehungsweise die Abgasrückführleitung 116 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Die Abgasrückführleitung 116 ist stromab der Turbine 26 und vorzugsweise stromauf der Abgasklappe 50 fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und stromab des Verdichters 22 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist die Abgasrückführleitung 34 stromauf der Turbine 26 fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und stromab des Verdichters 22 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden.
Alternativ oder zusätzlich zur Abgasrückführeinrichtung 32 und/oder alternativ oder zusätzlich zur Abgasrückführeinrichtung 114 kann eine Abgasrückführeinrichtung 120 vorgesehen sein, welche wenigstens eine Abgasrückführleitung 122 aufweist. Die Abgasrückführleitung 122 ist einerseits fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und andererseits fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden, sodass mittels der Abgasrückführleitung 122 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 12 durchströmende Abgases aus dem Abgastrakt 12 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 20 rückgeführt werden kann. Das aus dem Abgastrakt 12 abgezweigte und die Abgasrückführleitung 122 durchströmende Abgas kann aus der Abgasrückführleitung 122 aus- und in den Ansaugtrakt 20 einströmen. Das in den Ansaugtrakt 20 einströmende Abgas wird von der Luft mitgenommen und in die Zylinder 18 transportiert. Dadurch kann mittels der Abgasrückführeinrichtung 120 eine Abgasrückführung (AGR) realisiert werden. In der Abgasrückführleitung 122 ist beispielsweise ein Abgasrückführventil 124 angeordnet, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden beziehungsweise die Abgasrückführleitung 122 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Dabei ist die Abgasrückführleitung 122 stromab der Turbine 26 und vorzugsweise stromauf der Abgasklappe 50 fluidisch mit dem Abgastrakt 12 und stromauf des Verdichters 22 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden. Wie mittels der Abgasrückführeinrichtung 114 ist alternativ oder zusätzlich mittels der Abgasrückführeinrichtung 120 eine ungekühlte Abgasrückführung darstellbar. Die mittels der Abgasrückführeinrichtung 120 realisierbare Abgasrückführung ist besonders im unteren Teillastgebiet vorteilhaft, solange ein im Ansaugtrakt 20 herrschender Druck, insbesondere der Saugrohrdruck nur gering von einem im Abgastrakt 12 nach der Turbine 26 herrschenden Druck abweicht. Durch Schließen der Abgasklappe 50 kann ein notwendige Spülgefälle erzwungen werden.
7 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 88 die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 14 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 90 des Diagramms die Last der Verbrennungskraftmaschine 14 aufgetragen ist. Somit zeigt 7 das Motorkennfeld der Verbrennungskraftmaschine 14. In 7 veranschaulicht ein Verlauf 92 das maximale Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine 14, wodurch die Volllast begrenzt wird. Nach unten ergibt sich ohne Einspritzung durch Reibung und Nebenaggregate eine negative, durch einen Verlauf 94 veranschaulichte Schleppleistung. Die ungekühlte Abgasrückführung ist bis zu einer maximalen, durch einen Verlauf 96 veranschaulichten Menge ohne Verbrauchsnachteile darstellbar. Innerhalb einer in 7 mit 98 bezeichneten Fläche des Motorkennfelds werden die Abgasklappe 50 sowie die Abgasrückführung zur Temperaturregelung in der Abgasnachbehandlung eingesetzt.
Durch Anordnen der Abzweigstelle stromab der Turbine 26 ergibt sich im Vergleich zur Anordnung der Abzweigstelle stromauf der Turbine 26 folgender motordynamischer Unterschied, der in 8 erkennbar ist. 8 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszissen 100 die Zeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate 90 ist die Last der Verbrennungskraftmaschine 14 aufgetragen, wobei auf der Ordinate 102 ein Lastsprung und auf der Ordinate 104 der Ladedruck aufgetragen ist. Bei dem in 8 veranschaulichten Lastsprung wird die Last und somit eine Fahrbedarfsstellung von null Prozent auf einhundert Prozent geändert, insbesondere erhöht. Hierbei folgt das durch einen Verlauf 106 veranschaulichte Drehmoment bei einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine proportional dem durch einen Verlauf 108 veranschaulichtem Ladedruck. Durch die Anordnung der Abzweigstelle stromab der Turbine 26 wird der vollständige Massenstrom über die Turbine 26 geleitet. Der Abgasturbolader 22 hat einen leicht höheren Ladedruck. Bei einem durch einen Verlauf 110 veranschaulichtem Lastsprung wird mit Hilfe eine höheren, durch einen Verlauf 112 dargestellten Ladedrucks schneller die maximale Volllast erreicht, sodass die Verbrennungskraftmaschine 14 dynamischer ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1074710 A2 [0002]
DE 19727141 C1 [0042, 0042]

Claims

Drosseleinrichtung (10) für einen Abgastrakt (12) einer Verbrennungskraftmaschine (14), mit einer in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (14) durchströmbaren und von einem Abgasrohr (46) begrenzten Abgaskanal (48) anordenbaren Abgasklappe (50), welche um eine Schwenkachse (52) relativ zu dem Abgasrohr (46) verschwenkbar ist, und mit einem Aktor (54), mittels welchem die Abgasklappe (50) um die Schwenkachse (52) verschwenkbar ist, gekennzeichnet durch: – einen Steuernocken (72), mit welchem die Abgasklappe (50) mittels des Aktors (54) in Stützanlage zu halten ist; und – einen von dem Aktor (54) unterschiedlichen, zusätzlich dazu vorgesehenen zweiten Aktor (76), mittels welchem der Steuernocken (72) um eine zweite Schwenkachse (74) verschwenkbar ist, um dadurch Bewegungen der in Stützanlage mit dem Steuernocken (72) gehaltenen Abgasklappe (50) um die erste Schwenkachse (52) zu bewirken.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktor (54) pneumatisch betreibbar ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktor (76) elektrisch betreibbar ist.
Drosseleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktor (76) konzentrisch zur zweiten Schwenkachse (74) angeordnet ist.