[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einer Abgasanlage nach dem Oberbegriff
der Patentansprüche 1 und 2.
[0002] Zur Reduzierung von Stickoxidemissionen weisen moderne Kraftwagen oftmals eine Abgasanlage
mit Abgasrückführung auf. Eine anteilige Menge des von einer Brennkraftmaschine des
Kraftwagens erzeugten Abgases wird in solchen Abgasanlagen der Ansaugluft der Brennkraftmaschine
zugeführt. Das Gemisch aus Ansaugluft und Abgas besitzt einen niedrigeren Sauerstoffgehalt
als die reine Ansaugluft, wodurch die Verbrennungstemperatur in der Brennkraftmaschine
gesenkt wird. Durch die niedrigere Verbrennungstemperatur wird die Oxidation von Stickstoff
während der Verbrennung vermindert, so dass weniger umweltschädliche Stickoxide entstehen.
[0003] Bei Ottomotoren kann durch die Abgasrückführung zudem eine Senkung des spezifischen
Kraftstoffverbrauchs im Teillastbetrieb erreicht werden. Aufgrund des geringeren Sauerstoffgehalts
des Gemisches in der Brennkraftmaschine kann im Teillastbetrieb eine Drosselklappe
weiter geöffnet bleiben, so dass Staudruckverluste an der Drosselklappe vermieden
werden, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine senken.
[0004] Eine besonders gute Wirkung der Abgasrückführung wird erreicht, wenn das rückgeführte
Abgas mittels eines Abgasrückführungskühlers gekühlt wird, da sich beim Abkühlen des
Abgases dessen Dichte erhöht. Da bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen neben
CO
2 auch beträchtliche Mengen von Wasserdampf entstehen, kann es bei der Kühlung des
Abgases zur Kondensation des Dampfes kommen, wodurch sich flüssiges Wasser in der
Abgasanlage ansammelt.
[0005] Wird die Ladeluft vor Eintritt in die Brennkraftmaschine noch verdichtet, so kann
das kondensierte Wasser aus der Abgasrückführungsleitung in den Verdichter gelangen.
Aufgrund der hohen Drehzahlen moderner Verdichter kann dies zur Korrosion oder zur
vollständigen Zerstörung des Verdichters führen.
[0006] Um dies zu vermeiden, muss kondensiertes Wasser aus der Abgasrückführungsleitung
entfernt werden. Aus der
EP 1 548 269 A1 ist eine Abgasanlage bekannt, bei welcher mittels eines Kondensatableiters Wasser
aus einem Abgasrückführungskühler der Abgasanlage abgetrennt wird. Solche Kondensatableiter
sind aufwändig konstruiert, schwer und teuer in der Herstellung.
[0007] Alternativ zur Verwendung von Kondensatableitern kann in der Abgasrückführungsleitung
auch ein Sammelbehälter vorgesehen sein, in dem sich das kondensierte Wasser sammelt.
Über eine Ablaufleitung kann das Wasser aus dem Sammelbehälter an die Umgebung abgegeben
werden oder in die Abgasleitung zurückgeführt werden. Eine Abgasanlage mit einem solchen
Sammelbehälter ist aus der
US 4 055 158 bekannt. Bei einer solchen Abgasanlage strömt neben dem gesammelten Wasser auch ein
beträchtlicher Teil des rückzuführenden Abgases durch die Ablaufleitung, so dass die
Wirkung der Abgasrückführung vermindert wird.
[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kraftwagen nach
dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 bereitzustellen, der eine besonders einfache
und wirkungsvolle Entfernung von kondensiertem Wasser aus rückgeführtem Abgas ermöglicht.
[0009] Diese Aufgabe wird durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
sowie durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
[0010] Erfindungsgemäß ist im Betrieb einer Abgasanlage eines solchen Kraftwagens der Staudruck
an beiden Enden einer Kondensatleitung zum Abführen von kondensiertem Wasser aus einer
Abgasrückführungsleitung im Wesentlichen gleich. Diese Druckgleichheit kann durch
die Anpassung verschiedener geometrischer Parameter der Abgasanlage erzielt werden,
so zum Beispiel durch geeignete Wahl des Strömungsquerschnitts der Kondensatleitung
im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt der Abgasrückführungsleitung bzw. einer Abgasleitung,
mit der die Kondensatleitung in Verbindung steht. Auch der Winkel, unter dem die Kondensatleitung
in die Abgasleitung oder die Abgasrückführungsleitung mündet, beeinflusst die Druckverhältnisse
an den Enden der Kondensatleitung.
[0011] Da entlang einer solcherart ausgelegten Kondensatleitung im Wesentlichen kein Druckgradient
vorliegt, strömt nur wenig oder kein Abgas aus der Abgasrückführungsleitung über die
Kondensatleitung zurück in die Abgasleitung. Lediglich Wasser, welches in einem Abgaskühler
aus dem Abgas kondensiert, wird durch die Kondensatleitung aus der Abgasrückführungsleitung
abgeführt und über die Abgasleitung an die Umwelt abgegeben, so dass empfindliche
Komponenten der Abgasanlage vor Beschädigung durch flüssiges Wasser geschützt sind.
Um ein zuverlässiges Abfließen des kondensierten Wassers zu unterstützen, ist es besonders
zweckmäßig, die Geometrie der Kondensatleitung so zu gestalten, dass im Betrieb ein
minimaler Abgasstrom von der Abgasrückführungsleitung durch die Kondensatleitung zur
Abgasleitung strömt und anfallendes kondensiertes Wasser mitreißt. Auf bauraumaufwändige
Sammelbehälter oder technisch komplexe Kondensatableiter kann verzichtet werden, so
dass eine solche Abgasanlage bauraumsparend und kostengünstig ist.
[0012] In einer alternativen Ausführungsform weist die Abgasanlage des erfindungsgemäßen
Kraftwagens ein Verschlussmittel auf, welches in einer Schließstellung die Kondensatleitung
verschließt und in einer Öffnungsstellung die Kondensatleitung freigibt. Ein solches
Verschlussmittel kann kurzzeitig zur Ableitung von Kondensat in die Öffnungsstellung
gebracht und nach Ablaufen des Kondensats wieder verschlossen werden. Da bei einer
solchen Abgasanlage die Kondensatleitung nur für kurze Zeiträume geöffnet ist, spielen
Abgasverluste durch die Kondensatleitung keine Rolle. Auch bei dieser Ausführungsform
kann auf komplexe Kondensatableiter oder bauraumaufwändige Sammelbehälter verzichtet
werden.
[0013] Vorzugsweise ist das Verschlussmittel als Klappe ausgelegt. Dies ist eine mechanisch
besonders einfache und kompakte Ausführungsform, die ohne wesentliche Änderungen in
bestehende Abgasanlagen integriert werden kann.
[0014] Es ist besonders zweckmäßig, das Verschlussmittel am ersten Ende der Kondensatleitung
anzuordnen. Eine solche Anordnung ist besonders strömungsgünstig und verhindert Staudruckverluste
in der Abgasleitung.
[0015] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung vorgesehen,
mittels welcher das Verschlussmittel in vorgegebenen Zeitabständen und/oder bei Über-
bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Kondensatmenge in der Abgasanlage zwischen
der Öffnungs- und Schließstellung bewegbar ist. Die zeitabhängige Steuerung des Verschlussmittels
stellt eine besonders einfach zu implementierende Variante dar, die sicherstellt,
dass kondensiertes Wasser zuverlässig aus der Abgasanlage abgeführt wird, ohne dass
zusätzliche Sensoren oder dergleichen notwendig sind. Soll eine besonders zuverlässige
Entfernung des Kondensats garantiert werden, kann jedoch auch die in der Abgasrückführungsleitung
anfallende Wassermenge detektiert werden und das Verschlussmittel in Abhängigkeit
der Wassermenge gesteuert werden. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für
Abgasanlagen mit besonders hochwertiger Komponenten.
[0016] Die im Folgenden geschilderten Aspekte der Erfindung können in Verbindung mit beiden
eingangs geschilderten alternativen Varianten der Erfindung Anwendung finden.
[0017] Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein Verbindungsbereich zwischen der Abgasrückführungsleitung
und der Kondensatleitung in Einbaulage der Abgasanlage an der in Fahrzeughochrichtung
untersten Stellen der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. In der Abgasrückführungsleitung
anfallendes kondensiertes Wasser sammelt sich allein der Schwerkraft folgend an dieser
Stelle und kann daher ohne aktive Unterstützung durch die Kondensatleitung ablaufen.
[0018] Eine besonders sichere Ableitung von Kondenswasser kann ferner realisiert werden,
wenn dieser Verbindungsbereich in einem Knie der Abgasrückführungsleitung angeordnet
ist. Am tiefstgelegenen Punkt dieses Knies kann sich das Wasser sammeln, ohne dass
die Gefahr besteht, dass Wassertropfen in die Brennkraftmaschine oder einen Verdichter
eingetragen werden. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere an, wenn die Kondensatleitung
mit einer zeitabhängig gesteuerten Verschlussklappe versehen werden soll.
[0019] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verbindungsbereich
zwischen dem zweiten Ende der Kondensatleitung und der Abgasleitung in Strömungsrichtung
des Abgases hinter einem Verbindungsbereich zwischen der Abgasrückführungsleitung
und der Abgasleitung angeordnet. Durch die Kondensatleitung in die Abgasleitung eingebrachtes
Wasser kann sicher durch die Abgasleitung in die Umwelt abgegeben werden, ohne dass
die Gefahr besteht, dass Wasser aus der Abgasleitung wieder zurück in die Abgasrückführungsleitung
eingebracht wird.
[0020] Vorzugsweise ist ein weiteres Verschlussmittel vorgesehen, mittels welchem ein Teilströmungsquerschnitt
des Abgaskühlers verschließbar ist. In Abhängigkeit von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen
der Brennkraftmaschine kann durch die Änderung des Strömungsquerschnitts des Abgaskühlers
die Temperatur des rückgeführten Abgases eingestellt werden. Es ist dabei insbesondere
vorteilhaft, eine zu starke Kühlung des Abgases zu verhindern, die zu besonders starker
Kondensation von Wasser in der Abgasrückführungsleitung führen würde.
[0021] Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher
erläutert werden. Hierbei zeigen:
- Fig. 1:
- Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abgasanlage für einen
erfindungsgemäßen Kraftwagen und
- Fig. 2:
- eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Abgasanlage
für einen erfindungsgemäßen Kraftwagen.
[0022] Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Abgasanlage für einen Kraftwagen umfasst eine Abgasleitung
12, mittels welcher Abgas von einer in den Figuren nicht dargestellten Brennkraftmaschine
des Kraftwagens abgeführt werden kann. Zur Verminderung von Stickoxidemissionen wird
eine Anteilsmenge des Abgases über eine Abgasrückführungsleitung 14 zu einem Ansaugtrakt
der Brennkraftmaschine zurückgeführt. Das Rückführen des im Wesentlichen sauerstofffreien
Abgases vermindert den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft in der Brennkraftmaschine,
wodurch die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und weniger Stickoxide während der
Verbrennung entstehen.
[0023] Um die Dichte des rückgeführten Abgases zu erhöhen, ist in der Abgasrückführungsleitung
14 ein Abgaskühler 16 vorgesehen. Dieser umfasst zwei Wärmetauscher 18, 20, die durch
eine Trennwand 22 voneinander abgetrennt sind und parallel von Abgas durchströmt werden
können.
[0024] Durch das Abkühlen des Abgases im Abgaskühler 16 kann es zur Kondensation von im
Abgas enthaltenen Wasserdampf kommen. Dies ist insbesondere dann schädlich, wenn das
rückgeführte Abgas vor Eintritt in die Brennkraftmaschine noch einen Verdichter durchläuft.
Ein solcher Verdichter kann durch Wassertropfen beschädigt werden.
[0025] Um kondensiertes Wasser aus dem rückgeführten Abgas abzutrennen, besitzt die Abgasanlage
10 eine Kondensatleitung 24, welche die Abgasrückführleitung 14 mit der Abgasleitung
12 verbindet. Ein erstes Ende 26 der Kondensatleitung mündet in einem Verbindungsbereich
28 in die Abgasrückführungsleitung 14, der in Strömungsrichtung des Abgases hinter
dem Abgaskühler 16 liegt. Ein zweites Ende 30 der Kondensatleitung mündet in einem
Verbindungsbereich 32 in die Abgasleitung 12, der in Strömungsrichtung des Abgases
hinter einem Verbindungsbereich 34 zwischen der Abgasrückführungsleitung 14 und der
Abgasleitung 12 liegt.
[0026] Der Verbindungsbereich 28 liegt in Einbaulage der Abgasanlage an der in Fahrzeughochrichtung
z tiefsten Stelle der Abgasrückführungsleitung 14. Im Abgaskühler 16 kondensierendes
Wasser sammelt sich also aufgrund der Schwerkraft im Verbindungsbereich 28.
[0027] Um ein Zurückströmen von rückgeführtem Abgas aus der Abgasrückführleitung 14 über
die Kondensatleitung 24 in die Abgasleitung 12 zu verhindern, ist das Ende 26 der
Kondensatleitung 24 durch eine Klappe 35 verschlossen, die über ein Scharnier 36 an
einer Wandung 38 der Abgasrückführungsleitung 14 angelenkt ist. Erst wenn sich Wasser
im Bereich 28 der Abgasrückführungsleitung 14 ansammelt, wird die Klappe 35 geöffnet,
so dass das Wasser durch die Kondensatleitung 24 ablaufen kann. Aus der Kondensatleitung
24 tritt das Wasser in die Abgasleitung 12 über und wird vom diese durchströmenden
Abgas mitgerissen und an die Umwelt abgegeben. Alternativ zum Öffnen der Klappe 35
in Abhängigkeit von Wasseransammlungen kann die Klappe 35 auch periodisch für kurze
Zeiträume geöffnet werden, so dass keine Sensoren zum Detektieren von kondensiertem
Wasser notwendig sind.
[0028] Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer im Ganzen mit 10' bezeichneten
Abgasanlage. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in
der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Auch in dieser Variante der Erfindung wird ein Teilabgasstrom
aus der Abgasleitung 12 entnommen, in einem Abgaskühler 16 abgekühlt und über eine
Abgasrückführungsleitung 14 zur Brennkraftmaschine zurückgeführt.
[0029] Wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine Kondensatleitung 24' vorgesehen,
mittels welcher kondensiertes Wasser aus der Abgasrückführungsleitung 14 in die Abgasleitung
12 abgeführt werden kann.
[0030] Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist bei der Abgasanlage 10' keine Klappe
zum Verschließen der Kondensatleitung 24' vorgesehen. Das Rückströmen von Abgas aus
der Abgasrückführungsleitung 14 in die Abgasleitung 12 wird vielmehr durch die Gestaltung
der Kondensatleitung 24' selbst verhindert.
[0031] Analog zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist das erste Ende 26 der Kondensatleitung
24' in einem Verbindungsbereich 28 mit der Abgasrückführungsleitung verbunden. Das
zweite Ende 28' der Kondensatleitung erstreckt sich hier jedoch in einen Innenraum
40 der Abgasleitung 12, wobei eine Mündung 42 der Kondensatleitung 24' einer durch
den Pfeil 44 veranschaulichten Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung 21
entgegen gerichtet ist.
[0032] Das durch die Abgasleitung 12 strömende Abgas erzeugt an der Mündung 42 der Kondensatleitung
24' einen Staudruck, der in etwa dem Staudruck im Verbindungsbereich 28 der Abgasrückführungsleitung
14 mit der Kondensatleitung 24' entspricht. Da somit über den Verlauf der Kondensatleitung
24' kein Druckgradient vorliegt, strömt kein Abgas aus der Abgasrückführungsleitung
14 durch die Kondensatleitung 24' zurück in die Abgasleitung 12. Auf eine Klappe zum
Verschließen der Kondensatleitung 24' kann hier also verzichtet werden. Kondensiertes
Wasser kann jedoch noch immer allein durch die Wirkung der Schwerkraft aus der Abgasrückführungsleitung
14 durch die Kondensatleitung 24' in die Abgasleitung 12 ablaufen.
[0033] Die Abgasanlage 10' umfasst eine Klappe 46, mittels welcher der Wärmetauscher 20
verschlossen werden kann, so dass das rückgeführte Abgas nur durch den Wärmetauscher
18 strömt. Bei geschlossenere Klappe 46 sinkt daher die Kühlleistung des Abgaskühlers
16. Das rückgeführte Abgas besitzt nach Passage des Abgaskühlers eine höhere Temperatur,
wodurch die Kondensation von Wasser aus dem rückgeführten Abgas verringert wird. Dies
kann bei niedrigen Betriebstemperaturen, beispielsweise im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine,
ausgenutzt werden, um die Ansammlung von Wasser in der Abgasrückführleitung 14 zu
vermeiden. Eine solche Klappe 46 kann auch in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 Anwendung
finden und ist dort lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in der Zeichnung
dargestellt.
1. Kraftwagen mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage (10'), die eine Abgasleitung
(12) umfasst, mittels welcher Abgas von der Brennkraftmaschine abführbar ist, sowie
eine Abgasrückführungsleitung (14) umfasst, mittels welcher Abgas aus der Abgasleitung
(12) zur Brennkraftmaschine rückführbar ist, wobei in der Abgasrückführungsleitung
(14) ein Abgaskühler (16) sowie eine Kondensatleitung (24') zum Abführen von Kondensat
aus dem rückgeführten Abgas bereitgestellt ist, wobei die Kondensatleitung (24) mit
einem ersten Ende (26) mit der Abgasrückführungsleitung (14) in Strömungsrichtung
des Abgases hinter dem Abgaskühler (16) und mit einem zweiten Ende (30') mit der Abgasleitung
(12) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bauteile der Abgasanlage (10') so ausgelegt sind, dass im Betrieb der Abgasanlage
(10') ein Staudruck am ersten Ende (26) der Kondensatleitung (24') im Wesentlichen
gleich zu einem Staudruck am zweiten Ende (30') der Kondensatleitung (24') ist.
2. Kraftwagen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strömungsquerschnitt der Kondensatleitung (24') im Verhältnis zu einem Strömungsquerschnitt
der Abgasrückführungsleitung (14) und/oder ein Strömungsquerschnitt der Kondensatleitung
(24') im Verhältnis zu einem Strömungsquerschnitt der Abgasleitung (12) und/oder ein
Winkel einer Erstreckungsrichtung der Kondensatleitung (24') an deren Mündung (42)
zu einer Erstreckungsrichtung der Abgasleitung (12) so gewählt ist, dass im Betrieb
der Abgasanlage (10') ein Staudruck am ersten Ende (26) der Kondensatleitung (24')
im Wesentlichen gleich zu einem Staudruck am zweiten Ende (30') der Kondensatleitung
(24') ist.
3. Kraftwagen mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage (10), die eine Abgasleitung
(12) umfasst, mittels welcher Abgas von der Brennkraftmaschine abführbar ist, sowie
eine Abgasrückführungsleitung (14) umfasst, mittels welcher Abgas aus der Abgasleitung
(12) zur Brennkraftmaschine rückführbar ist, wobei in der Abgasrückführungsleitung
(14) ein Abgaskühler (16) sowie eine Kondensatleitung (24) zum Abführen von Kondensat
aus dem rückgeführten Abgas bereitgestellt ist, wobei die Kondensatleitung (24) mit
einem ersten Ende (26) mit der Abgasrückführungsleitung (14) in Strömungsrichtung
des Abgases hinter dem Abgaskühler (16) und mit einem zweiten Ende (30) mit der Abgasleitung
(12) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verschlussmittel (35) vorgesehen ist, welches in einer Schließstellung die Kondensatleitung
(24) verschließt und in einer Öffnungsstellung die Kondensatleitung (24) freigibt.
4. Kraftwagen nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verschlussmittel (35) als Klappe ausgebildet ist.
5. Kraftwagen nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verschlussmittel (35) am ersten Ende (26) der Kondensatleitung (24) angeordnet
ist.
6. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung, mittels welcher das Verschlussmittel (35) in vorgegebenen
Zeitabständen und/oder bei Über- bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Kondensatmenge
in der Abgasanlage (10) zwischen der Öffnungs- und Schließstellung bewegbar ist.
7. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verbindungsbereich (28) zwischen der Abgasrückführungsleitung (14) und der Kondensatleitung
(24, 24') in Einbaulage der Abgasanlage (10, 10') an der in Fahrzeughochrichtung untersten
Stellen der Abgasrückführungsleitung (14) angeordnet ist.
8. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbindungsbereich (32) zwischen der Abgasrückführungsleitung (14) und der Kondensatleitung
(24, 24') in einem Knie der Abgasrückführungsleitung (14) angeordnet ist.
9. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ende (30, 30') der Kondensatleitung (24, 24') in Einbaulage der Abgasanlage
(10, 10') in Fahrzeughochrichtung unterhalb des ersten Endes (26) der Kondensatleitung
(24, 24') liegt.
10. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verbindungsbereich (32) zwischen dem zweiten Ende (30, 30') der Kondensatleitung
(24, 24') und der Abgasleitung (12) in Strömungsrichtung des Abgases hinter einem
Verbindungsbereich (34) zwischen der Abgasrückführungsleitung (14) und der Abgasleitung
(12) angeordnet ist.
11. Kraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch
ein weiteres Verschlussmittel (46), mittels welchem ein Teilströmungsquerschnitt des
Abgaskühlers (16) verschließbar ist.