[0001] Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem
Abgaskühler, der zumindest einen von Abgas durchströmbaren Kanal und einen von einem
Kühlmittels durchströmbaren Kühlmittelkanal aufweist, einem Bypasskanal, über den
der Abgaskühler umgehbar ist und der eine thermische Kopplung zum Kühlmittelkanal
aufweist, einer Bypassklappe, über die der Bypasskanal verschließbar ist und einem
Abgasrückführventil, welches stromabwärts des Abgaskühlers und des Bypasskanals angeordnet
ist sowie ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasrückführventils eines Abgassystems
mit einem Abgaskühler und einem den Abgaskühler umgehenden Bypasskanal, welche stromabwärts
des Abgasrückführventils angeordnet sind, wobei je nach Stellung einer im Bypasskanal
angeordneten Bypassklappe entweder der Bypasskanal oder der Abgaskühler durchströmt
wird.
[0002] Solche Abgassysteme werden insbesondere in Abgasrückführkanälen eingesetzt. Die Kühlung
der zum Saugrohr zurückgeführten Abgase ermöglicht eine Verbrennung mit geringeren
Temperaturen, was wiederum zur Reduzierung der entstehenden Schadstoffe führt. Der
Bypasskanal wird insbesondere während der Startphase durchströmt, um eine schnellere
Aufheizung des Kühlmittels und des Katalysators zu erreichen, wodurch wiederum eine
Schadstoffreduzierung und eine Verbrauchsminderung während dieser kritischen Phase
erreicht werden.
[0003] Um eine zusätzliche schnellere Aufheizung des Kühlmittels zu erreichen, wird in der
DE 10 2006 037 640 A1 vorgeschlagen, im Kühlmittelkanal ein Thermostat anzuordnen, welches mit der Schaltklappe
für den Bypasskanal gekoppelt ist, wobei über das Thermostat ein Kühlmittelventil
und gleichzeitig oder seitlich versetzt die Schaltklappe betätigt werden. Somit wird
der Kühlmittelstrom bei zu kaltem Kühlmittel unterbrochen und gleichzeitig der Abgasstrom
über den Bypasskanal geleitet. Sobald die Temperatur im Kühlmittelkanal die Schalttemperatur
des Thermostats erreicht, wird der Kühlmittelkanal und der Abgas durchströmbare Kanal
des Abgaskühlers geöffnet, da bei ausreichend aufgeheiztem Kühlmittel auch vom Erreichen
der Betriebstemperatur des Katalysators auszugehen ist. Die Anordnung eines Abgasrückführventils
wird nicht offenbart.
[0004] Problematisch ist somit bei einem derartigen Abgassystem ist, dass bei Anordnung
des Abgasrückführventils hinter dem Abgaskühler dieses im folgenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
stetig lediglich mit Abgas beaufschlagt wird, welches eine geringe Temperatur aufweist.
Dies führt jedoch zu Verklebungen und Anbackungen am Abgasrückführventil, die dessen
korrekte Funktionalität negativ beeinflussen.
[0005] In der
DE 10 2004 019 554 A1 wird ein Abgassystem vorgeschlagen, bei dem in einer Baueinheit ein Abgaskühler,
der über einen Bypasskanal umgehbar ist und ein nachgeschaltetes Abgasrückführventil
angeordnet sind. Im Bypasskanal ist eine Schaltklappe angeordnet, über die der Bypasskanal
verschließbar ist, so dass in diesem Zustand das Abgas über den Kühler strömt. Diese
Schaltklappe wird über ein Thermoelement in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur
geregelt, so dass der Bypasskanal lediglich in der Warmlaufphase des Motors geöffnet
ist. Um Verklebungen am Ventilsitz zu verhindern, ist der Ventilsitz vom Kühlmittel
umströmt und somit stetig gekühlt. Dies verringert zwar die Anbackungen im Bereich
des Ventilsitzes, jedoch können diese hierdurch nicht vollständig verhindert werden.
Insbesondere weist der Bypasskanal eine thermische Kopplung zum Kühlmittelkanal auf,
dass heißt er ist zum Teil von Kühlmittel umströmt, wodurch das Abgas weiterhin zumindest
geringfügig gekühlt wird. Des Weiteren können Anbackungen beispielsweise im Bereich
der Ventilstange auftreten.
[0006] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgassystem zu schaffen, mit dem die Funktionalität
des Abgasrückführventils über einen langen Zeitraum sichergestellt werden kann, indem
Anbackungen auch im Bereich der Ventilstange zuverlässig entfernt werden können. Dabei
soll die Aufheizzeit des Kühlmittels verringert werden. Zusätzlich soll ein Verfahren
zur Reinigung eines nachgeschalteten Abgasrückführventils bereitgestellt werden.
[0007] Diese Aufgabe wird bezüglich des Abgassystems durch den kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs
5 gelöst.
[0008] Dadurch, dass im Kühlmittelkanal ein Kühlmittelventil angeordnet ist, über welches
der Kühlmittelkanal verschließbar ist und welches gemeinsam mit der Bypassklappe über
einen aktiv gesteuerten Aktuator betätigbar ist, wird der Kühlmittelstrom zum Reinigen
des Abgasrückführventils gleichzeitig mit dem Öffnen des Bypasskanals unterbrochen,
so dass die Kühlwirkung des Kühlmittels auf das im Bypasskanal strömende Abgas entfällt.
Hierdurch gelangt Abgas mit sehr hohen Temperaturen zum Abgasrückführventil, wodurch
dieses freigebrannt wird, also auftretende Rückstände am Ventil durch die hohe Temperatur
verbrennt werden. Beim entsprechenden Verfahren werden somit im wiederkehrenden Reinigungsmodus
ein im Kühlmittelkanal angeordnetes Kühlmittelventil, über welches der durchströmbare
Querschnitt des Kühlmittelkanals eingestellt wird, und die Bypassklappe des Bypasskanal
aktiv in eine den Bypasskanal freigebende und eine den Kühlmittelkanal verschließende
Stellung gedreht, wodurch das Abgas mit der hohen Temperatur dem Abgasrückführventil
zugeführt werden kann.
[0009] Vorzugsweise ist der Aktuator ein elektrischer oder pneumatischer Aktuator, der mechanisch
oder pneumatisch mit der Bypassklappe und dem Kühlmittelventil gekoppelt ist. Die
mechanische Kopplung erfolgt dabei beispielsweise über ein Gestänge zwischen der Bypassklappe
und dem Kühlmittelventil. Eine pneumatische Kopplung kann in der Weise erfolgen, dass
ein Ausgang eines Magnetventils mit zwei Unterdruckdosen verbunden wird, über die
wiederum die Bypassklappe und das Kühlmittelventil mit Vakuum geschaltet werden. So
entsteht eine einfache gekoppelte Betätigung der beiden Schaltglieder.
[0010] In einer bevorzugten Ausführung sind in einem Gehäuse der Abgaskühler, die Bypassklappe
und der Bypasskanal angeordnet sind, der einen Abschnitt aufweist, der thermisch zum
Kühlmittelkanal gekoppelt ist und vom Abgaskühler über eine Trennwand getrennt ist.
So wird ein Modul zur Abgaskühlung ohne zusätzliche Leitungen und ohne weiteren Montageaufwand
geschaffen, Ein derartig aufgebautes Modul benötigt lediglich sehr geringen Bauraum.
[0011] In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist auch das Abgasrückführventil in dem
Gehäuse angeordnet, wodurch eine weitere Funktion in dem einen Gehäuse integriert
ist. Eine Reinigung bei hoher Temperatur ist durch die geringen Abstände der Bauteile
zueinander besonders vorteilhaft durchzuführen.
[0012] Bezüglich des Verfahrens wird vorteilhafterweise der Reinigungsmodus in regelmäßigen
zeitlichen Abständen gestartet. Eine solche Routine kann in der Motorsteuereinheit
hinterlegt werden, um die korrekte Funktion des Abgasrückführventils sicherzustellen.
Bei dieser Ausführung sind keine weiteren Sensoren notwendig, so dass die Durchführung
dieses Verfahrens besonders kostengünstig ist.
[0013] Alternativ wird der Reinigungsmodus in Abhängigkeit der Werte eines Drucksensors
hinter dem Abgasrückführventil oder einer Strommessung am Aktuator des Abgasrückführventils
gestartet. Auf diese Weise ist der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens zwar höher
da zusätzliche Sensoren benötigt werden oder weitere Routinen hinterlegt werden müssen,
jedoch ist es auch denkbar, ohnehin vorhandene Sensoren zu nutzen. Die Schadstoffemissionen
können bei dieser Ausführung zusätzlich gesenkt werden, da der Reinigungsmodus, in
dem geringfügig mehr Schadstoffe entstehen, nur dann durchgeführt wird, wenn tatsächlich
eine nicht mehr akzeptable Verschmutzung des Ventils vorliegt.
[0014] Es wird somit ein Abgassystem und ein Verfahren zum Reinigen eines Abgasrückführventils
in einem Abgassystem geschaffen, bei denen eine hohe Lebensdauer und korrekte Funktionsweise
des Abgasrückführventils dadurch sichergestellt wird, dass Verschmutzungen am Abgasrückführventil
verbrannt werden. Hierzu werden auf einfache Weise auch bei thermischer Kopplung des
Bypasskanals zum Kühlmittelkanal ausreichende Abgastemperaturen sichergestellt. Der
Aufwand zur sicheren Durchführung des Verfahrens ist dabei minimiert.
[0015] Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems ist in den
Figuren dargestellt und wird nachfolgend ebenso wie das zugehörige Verfahren zum Reinigen
eines Abgasrückführventils beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abgassystems
in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Abgassystem gemäß der Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Abgassystems in teilweise aufgebrochener
Darstellung.
Figur 4 zeigt die Draufsicht auf das Abgassystem gemäß der Figur 3 in geschnittener
Darstellung.
[0016] Das erfindungsgemäße Abgassystem gemäß Figur 1 besteht aus einem Abgaskühler 2, der
einen inneren, durch ein Innengehäuse 4 gebildeten, von Abgas durchchströmbaren Kanal
6 sowie einen äußeren, von Kühlmittel von Abgas durchströmbaren Kanal 6 sowie einen
äußeren, von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelkanal 8 aufweist, der zwischen dem
Innengehäuse 4 und einem Außengehäuse 10 als Kühlmittelmantel ausgebildet ist, sowie
einem Bypasskanal 12, über den der Abgaskühler 2 umgehbar ist.
[0017] Der Bypasskanal 12 ist in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet seitlich neben
dem Abgaskanal 6 angeordnet und ist über eine Trennwand 14 vom Abgaskanal 6 getrennt.
Da der Bypasskanal 12 das gleiche Außengehäuse 10 aufweist wie der Abgaskühler 2,
so dass das Außengehäuse 10 Kontakt zum Kühlmittels hat, liegt eine thermische Kopplung
zwischen dem Bypasskanal 12 und dem Kühlmittelkanal 8 in diesem Abschnitt 13 des Bypasskanals
12 vor.
[0018] In einem Gehäusekopfteil 16 des Abgassystems, welches an das Außengehäuse 10 angeflanscht
ist, ist eine Abgaseintrittsöffnung 18, eine Austrittsöffnung 20 zum Abgaskühler 2
und eine Austrittsöffnung 22 zum Bypasskanal 12 ausgebildet. Im Gehäusekopfteil 16
ist des Weiteren eine Bypassklappe 24 angeordnet, mittels derer die Austrittsöffnung
20 oder ein Eintritt 26 zum Bypasskanal 12 über einen Aktuator 28, der im vorliegenden
Ausführungsbeispiel pneumatisch betätigt wird, verschlossen werden kann. So kann in
der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors das Abgas weitestgehend ungekühlt über den
Bypasskanal zu einem Abgasaustrittsbereich 38 geführt werden, der in einem hinteren
Teil des Außengehäuses 10 ausgebildet ist, in dem der Bypasskanal 12 und der Abgaskanal
6 zusammengeführt werden. Dieser Abgasaustrittsbereich 38 nimmt auch ein Abgasrückführventil
30 zur Regelung der rückgeführten Abgasmenge auf.
[0019] Erfindungsgemäß ist der Aktuator 28 aktiv betätigbar und nicht nur mit der Bypassklappe
24 zur Betätigung derselben sondern zusätzlich mechanisch mit einem Kühlmittelventil
32 verbunden, welches somit gleichzeitig mit der Bypassklappe 24 bewegt wird. Die
Kopplung erfolgt über ein Gestänge 34 in der Weise, dass bei geöffnetem Bypasskanal
12, also nicht erwünschter Kühlung jeweils der Kühlmittelkanal 8 verschlossen wird.
[0020] Bei üblicher Nutzung eines bekanten Abgassystems kann ein Entstehen von Anbackungen
am Abgasrückführventil 30 nicht verhindert werden, da am Abgasrückführventil Temperaturen
auftreten, die nicht niedrig genug sind, um derartige Anbackungen zu vermeiden. Erfindungsgemäß
besteht mit dem vorliegenden System die Möglichkeit, durch Stoppen der Kühlmittelversorgung
mittels des Kühlmittelventils 32 und Führen des Abgases durch den Bypasskanal 12 durch
Schalten der Bypassklappe 24 sehr hohe Temperaturen am Abgasrückführventil 30 zu erzeugen,
obwohl eine thermische Kopplung zwischen dem Kühlmittelkanal 8 und dem Bypasskanal
12 vorhanden ist. Diese hohen Temperaturen führen dazu, dass Anbackungen am Abgasrückführventil
30 weggebrannt werden, wodurch das Abgasrückführventil 30 gereinigt wird.
[0021] Der aktiv betätigbare Aktuator 28 wird somit unabhängig von der Betriebstemperatur
der Verbrennungskraftmaschine oder der Kühlmitteltemperatur aufgrund des Befehls einer
Steuereinheit geschaltet. Dies kann entweder in regelmäßigen Abständen erfolgen oder
aufgrund von Messwerten von Sensoren, wie einem Sensor zur Stromaufnahme des Abgasrückführventils
30 bei der Betätigung dessen oder eines Drucksensors im Abgasrückführkanal. Andere
Werte, die einen Aufschluss über die vorliegenden Verschmutzung des Ventils 30 zulassen,
sind ebenfalls denkbar.
[0022] In den Figuren 3 und 4 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Abgassystem dargestellt,
bei dessen folgender Beschreibung für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie bei
der Beschreibung der Figuren 1 und 2 benutzt werden.
[0023] Das Innengehäuse 4 besteht aus zwei aufeinandergesetzten Teilen, von deren Grundplatten
aus sich jeweils abwechselnd Rippen 35 in den Abgas führenden Kanal 6 des Abgaskühlers
2 erstrecken. Zusätzlich ist in diesem Innengehäuse 4 auch der Bypasskanal 12 ausgebildet,
der durch eine Trennwand 14 vom Abgaskühler 2 getrennt ist. Das gesamte Innengehäuse
4 mit dem Bypasskanal 12 ist vom Außengehäuse 10 umgeben, so dass auch bei dieser
Ausführung die thermische Kopplung zwischen einem Abschnitt 13 des Bypasskanals 12
und dem Kühlmittelkanal 8 gegeben ist, der zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse
10 als Kühlmittelmantel ausgebildet ist.
[0024] Die Abgaseintrittsöffnung 18 mündet in einen Abschnitt des Bypasskanals 12, der gleichzeitig
als Abgaszuführkanal 36 des Abgaskühlers 2 dient, wie in Figur 4 zu erkennen ist.
Der Abgaszuführkanal 36 endet an der Bypassklappe 24, welches stromabwärts zum Ende
der Trennwand 14 angeordnet ist. Bei geschlossener Bypassklappe 24 wird der Abgasstrom
um das Ende der Trennwand 14 gelenkt und gelangt in den berippten Abgaskühler 2, durchströmt
diesen U-förmig und gelangt hinter der Bypassklappe 24 zum Abgasaustrittsbereich 38,
in dem auch bei dieser Ausführung das Abgasrückführventil angeordnet ist, welches
in Figur 4 nicht ersichtlich ist, jedoch dessen Aktuator 40 in Figur 3 zu erkennen
ist.
[0025] Bei Öffnen der Bypassklappe 24 strömt das Abgas aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes
nicht durch den Abgaskühler 2 sondern durch den freigegebenen Durchströmungsquerschnitt
42 der Bypassklappe 24 und gelangt so auf kürzestem Weg zum Abgasaustrittsbereich
38, in dem das nicht dargestellte Abgasrückführventil angeordnet ist.
[0026] Das Öffnen und Schließen der Bypassklappe 24 erfolgt über einen aktiv gesteuerten
pneumatischen Aktuator 28, der mit seiner Betätigungsstange 44 an einem Kugelkopf
46, welche an einem Hebel 48 der am Ende einer Welle 50 der Bypassklappe 24 angeordnet
ist, angreift. An diesem Hebel 48 befindet sich ein zweiter Kugelkopf 51, der mit
dem Hebel 48 gedreht wird und an dem eine Stange 52 befestigt ist, deren entgegengesetztes
Ende wiederum an einem Kugelkopf 54 befestigt ist, der auf einem Hebel 56 angeordnet
ist, welcher auf dem Ende einer Drehwelle 58 befestigt ist, so dass die Drehwelle
58 bei Betätigung des Aktuators 28 mitgedreht wird. Auf der Drehwelle 58 ist ein Klappenkörper
60 des Kühlmittelventils 32 angeordnet, über welches der Kühlmittelkanal 8 verschließbar
ist. Entsprechend folgt eine gemeinsame Bewegung des Kühlmittelventils 32 und der
Bypassklappe 24 in der Weise, dass, wie in Figur 3 zu erkennen ist, in einem Zustand
die Bypassklappe 24 geschlossen ist, während das Kühlmittelventil 32 geöffnet ist
und in einem anderen Zustand das Kühlmittelventil 32 geschlossen ist, während die
Bypassklappe 24 geöffnet ist.
[0027] Wird nun der Befehl zur Reinigung des Abgasrückführventils 30 aufgrund von Sensordaten
oder aufgrund des zeitlichen Ablaufs gegeben, wird der Aktuator 28 aktiv geschaltet,
so dass die Bypassklappe 24 vom geschlossenen Zustand in den geöffneten gedreht wird
und das Kühlmittelventil 32 vom geöffneten in den geschlossenen Zustand gedreht wird.
Somit strömt das Abgas durch den Bypasskanal 12 und den freien Querschnitt 42 zum
Abgasrückführventil 30, ohne gekühlt zu werden, obwohl ein thermischer Kontakt zum
Kühlmittelkanal 8 vorliegt, denn der Kühlmittelstrom ist in diesem Zustand durch das
Kühlmittelventil 32 unterbrochen. Entsprechend wird keine Wärme abgeführt. Das heiße
Abgas gelangt somit zum Abgasrückführventil, an dem Ablagerungen aufgrund der hohen
Temperatur abgebrannt werden.
[0028] Nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine wird ebenfalls zur schnellen Aufheizung
des Katalysators das Abgas ungekühlt durch den Bypasskanal 12 geführt. Durch das Abschalten
des Kühlmittelstroms wird gleichzeitig ein schnellerer Aufheizen des Motorblocks und
somit des Motorenöls erreicht, was zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs
in dieser Phase und zu verringerten Schadstoffemissionen führt.
[0029] Es wird somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasrückführventils
bereitgestellt, bei denen Ablagerungen zuverlässig vom Abgasrückführventil entfernt
werden können, indem die Abgasenergie genutzt wird. Der Aufbau dieser Vorrichtung
ist sehr einfach, so dass wenige zusätzliche Bauteile benötigt werden. So wird über
eine lange Lebensdauer die Zuverlässigkeit des Abgassystems und die Genauigkeit der
Steuerung der Abgasmenge erhöht.
[0030] Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf die
beschriebenen Ausführungen beschränkt ist. Neben verschiedenen Aktuatoren, die einsetzbar
sind, wie beispielsweise elektrischen Aktuatoren, sind auch unterschiedliche Möglichkeiten
der Kopplung gegeben, wie pneumatische oder elektrische Kopplungen. Die konstruktive
Ausgestaltung des Abgassystems ist ebenfalls in hohem Maße flexibel.
1. Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgaskühler, der zumindest
einen von Abgas durchströmbaren Kanal und einen von einem Kühlmittel durchströmbaren
Kühlmittelkanal aufweist,
einem Bypasskanal, über den der Abgaskühler umgehbar ist und der eine thermische Kopplung
zum Kühlmittelkanal aufweist,
einer Bypassklappe, über die der Bypasskanal verschließbar ist und einem Abgasrückführventil,
welches stromabwärts des Abgaskühlers und des Bypasskanals angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Kühlmittelkanal (8) ein Kühlmittelventil (32) angeordnet ist, über welches der
Kühlmittelkanal (8) verschließbar ist und welches gemeinsam mit der Bypassklappe (24)
über einen aktiv gesteuerten Aktuator (28) betätigbar ist.
2. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktuator (28) ein elektrischer oder pneumatischer Aktuator ist, der mechanisch
oder pneumatisch mit der Bypassklappe (24) und dem Kühlmittelventil (32) gekoppelt
ist.
3. Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gehäuse (4, 10, 16) der Abgaskühler (2), die Bypassklappe (24) und der Bypasskanal
(12) angeordnet sind, der einen Abschnitt (13) aufweist, der thermisch zum Kühlmittelkanal
(8) gekoppelt ist und vom Abgaskühler (2) durch eine Trennwand (14) getrennt ist.
4. Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abgasrückführventil (30) in dem Gehäuse (4, 10, 16) angeordnet ist.
5. Verfahren zur Reinigung eines Abgasrückführventils eines Abgassystems mit einem Abgaskühler
und einem den Abgaskühler umgehenden Bypasskanal, welche stromabwärts des Abgasrückführventils
angeordnet sind, wobei je nach Stellung einer im Bypasskanal angeordneten Bypassklappe
entweder der Bypasskanal oder der Abgaskühler durchströmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem wiederkehrenden Reinigungsmodus ein im Kühlmittelkanal (12) angeordnetes
Kühlmittelventil (32), über welches der durchströmbare Querschnitt des Kühlmittelkanals
(8) eingestellt wird, und die Bypassklappe (24) des Bypasskanal (12) aktiv in eine
den Bypasskanal (12) freigebende und eine den Kühlmittelkanal (8) verschließende Stellung
gedreht werden.
6. Verfahren zur Reinigung eines Abgasrückführventils nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reinigungsmodus in regelmäßigen seitlichen Abständen gestartet wird.
7. Verfahren zur Reinigung eines Abgasrückführventils nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reinigungsmodus in Abhängigkeit der Werte eines Drucksensors hinter dem Abgasrückführventil
(30) oder einer Strommessung am Aktuator des Abgasrückführventils (30) gestartet wird.