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Die Erfindung betnfft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem, einem Auslasssystem und einem Abgasrückführsystem zur externen Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem, wobei das Einlasssystem zumindest einen Einlassströmungsweg pro Zylinder aufweist, in welchen eine Abgasrückführleitung einmündet.
Bekannte Brennkraftmaschine mit externem Abgasrückführsystem weisen eine vom Auslasssystem abzweigende Abgasrückführleitung auf, in welcher ein Abgasrückführventil zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases angeordnet ist. Die Abgasrückführleitung mündet dabei in den Einlasssammler oder in einen oder mehrere Einlassströmungswege, welche über Einlassventile in den Brennraum mindestens eines Zylinders führen. Bei mehreren Zylindern weist die Abgasrückführleitung eine gemeinsame Verteilerseiste auf, von der zu den Einlassströmungswegen führende Verteilerleitungen ausgehen. Durch die relativ grossen Querschnitte der Verteilerleitungen können allerdings die Saugsysteme der einzelnen Zylinder miteinander kommunizieren und Liefergradeinbussen verursachen, welche sich an der Vollast negativ auf das Drehmoment auswirken.
Verteilerleitungen und Verteilerleiste bilden zudem für das Transientverhalten des Einlasssystemes nachteilig wirkende Totvolumina aus, die bei transienter Betriebsweise der Brennkraftmaschine erst gefüllt oder leergesaugt werden müssen, und somit das Ansprechverhalten verzögern.
Weiters ist es aus der US 5, 762, 041 A bekannt, pro Zylinder einen Neutral- und einen Tangentialkanal als Einlasskanäle vorzusehen und im Neutralkanal eine Absperrklappe mit definierten Leckagequerschnitt anzuordnen, mit der der Einlassdrall gesteuert werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung das Transientverhalten mit möglichst geringem baulichem Aufwand zu verbessern.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass im Bereich der Mündungsstelle in den Einlassströmungsweg die Abgasrückführleitung durch eine Klappe verschliessbar ist. Die Klappen dienen dabei zur Schnellabschaltung für die zylindernahe Abgasrückführung in den Einlassströmungsweg, wobei die Klappe an einem Klappenende im Bereich der Wand des Strömungsweges gelagert ist und in zumindest einer die Abgasrückführleitung freigebenden Stellung in den Einlassströmungsweg einschwenkbar ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass durch die Klappe auch der Durchfluss durch den Einlassströmungsweg steuerbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist weiters vorgesehen, dass in einer ersten Endstellung der Klappe der Einlassströmungsweg freigegeben und die Abgasrückführleitung versperrt ist und in einer zweiten Endstellung der Einlassströmunsgweg verschlossen und die Abgasrückführleitung freigegeben ist, wobei vorzugsweise in der zweiten Endstellung bei
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versperrtem Einlassströmungsweg ein definierter Mindestdurchsatz der Einlassströmung durch Leckageöffnungen gewährleistet ist. Die Klappe dient somit einerseits zur Abschaltung des Einlassströmungsweges und andererseits zur Schnellabschaltung für die Abgasrückführleitung.
Durch den definierten Mindestdurchsatz in der den Einlassströmungsweg versperrenden zweiten Klappenstellung wird verhindert, dass über den Ventilschaft des Einlassventiles des abgeschalteten Einlasskanales Öl angesaugt wird. Andererseits wird bei aktivierter Abgasrückführung eine Vermischung des Abgases mit Frischgas erreicht.
In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Klappen durch eine gemeinsame Welle betätigbar sind.
Die Betätigung der Klappen kann über eine Unterdruckdose in Abhängigkeit des Saugrohr-
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Klappe entsprechende Stellungen erreichen lassen. In der ersten Endstellung der Klappe ist dabei die Abgasrückführleitung geschlossen und der Einlassströmungsweg geöffnet, in der zweiten Endstellung ist der Einlassströmungsweg abgeschaltet und die Abgasrückführleitung geöffnet. Zur Steuerung der Abgasmenge ist eine separates Abgasrückführventil notwendig.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Klappe an der der Abgasrückführleitung zuwendbaren Seite im Schnitt quer zur Welle der Klappe zumindest teilweise eine bogenförmig gekrümmte Oberfläche aufweist. Durch die bogenförmig gekrümmte Oberfläche, welche durch eine Anformung an der Klappe oder ein separates, an der Klappe befestigtes Kurvenstück gebildet sein kann, wird erreicht, dass in Abhängigkeit der Klappenstellung in Zwischenpositionen unterschiedliche Strömungsquerschnitte der Abgasrückführleitung für das in den Einlassströmungsweg eintretende Abgas freigegeben werden. Dadurch kann ein separates Abgasrückführventil entfallen.
Um eine Steuerung der Abgaszumessung zu verwirklichen, ist es vorteilhaft, wenn die Betätigung zumindest einer Klappe über einen Stellmotor in Abhängigkeit des Motorbetriebszustandes erfolgt. Dadurch kann der Strömungsquerschnitt durch den Einlassströmungsweg nicht nur zwischen zwei den Endstellungen der Klappe entsprechenden Stellungen umgeschaltet, sondern auch variabel gesteuert werden. Insbesondere ist es bei einem Strömungsweg mit einem drallerzeugend ausgeführten Einlasskanal möglich, den Drall im Zylinder variabel zu steuern und damit die Ladungsschichtung im Zylinderraum günstig zu beeinflussen, so dass der Bereich mit Schichtbetrieb ausgeweitet werden kann.
Auch im Teillastbereich mit einem stöchiometrischen Lun/Kranstoffverhältnis und aktivierter Abgasrückführung kann durch die Stellung der Klappe die Verträglichkeit für das rückgeführte Abgas gezielt beeinflusst werden.
Eine Drallbeeinflussung kann dabei schon bei geringem Öffnungswinkel der Klappe, also bei etwa 10 bis 150 Abweichungen von der zweiten Endstellung der Klappe, bei der der Einlassströmungsweg gesperrt ist, erfolgen. Bei diesen kleinen Veränderungen des Klappenwinkels kommt es zu noch keiner Beeinflussung der Zuführung des rückgeführten Abgases stromabwärts der Klappe.
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In Weiterführung der Erfindung kann bei einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Einlassströmungsweg mit einem drallerzeugenden Einlasskanal und einem zweiten Strömungsweg mit einem als Neutralkanal ausgebildeten Einlasskanal vorgesehen sein, dass sowohl in den ersten Strömungsweg, als auch in den zweiten Strömungsweg eine Abgasrückführleitung einmündet, wobei die Abgasrückführleitung des ersten Strömungsweges durch eine erste Klappe in einer ersten Endstellung und die Abgasrückführleitung des zweiten Strömungsweges durch eine zweite Klappe in einer ersten Endstellung verschliessbar ist.
Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die erste Klappe vorzugsweise kleiner ausgebildet ist als die zweite Klappe und in der zweiten Endstellung der ersten Klappe sowohl die Strömung durch die Ab- gasrückführleitung, als auch durch den ersten Strömungsweg möglich ist, und wenn durch die zweite Klappe in einer zweiten Endstellung der zweite Einlassströmungsweg versperrbar ist. Um für den Schichtbetrieb ausreichende Drallzahlen erreichen zu können, kann in diesem Betriebszustand der Neutralkanal durch die zweite Klappe abgeschaltet werden. Die ersten Klappen und zweiten Klappen von mehreren Zylindern können dabei jeweils auf einer gemeinsamen Welle befestigt sein.
Die zweite Klappe verschliesst dabei den Neutralkanal nicht vollkommen dicht, sondern lässt eine definierte Leckage über einen zwischen der Klappe und der Wand des Strömungsweges verbleibenden Spalt zu, um einerseits zu verhindern, dass über den Ventilschaft des Neutralkanales Öl ansgesaugt wird und andererseits, um bei einer Zuführung von rückgeführtem Abgas in diesen Neutralkanalvermischung mit Frischladung zu erreichen. Gleichzeitig fungiert die zweite Klappe als Schnellabschaltung für die Abgasrückführung in den Neutralkanal.
Bei dem einen drallerzeugend ausgebildeten Einlasskanal aufweisenden ersten Strömungsweg geschieht die Schnellabschaltung für die Abgasrückführung durch die erste Klappe, welche kleiner ausgebildet ist als die zweite Klappe, so dass sich in der zweiten Endstellung der ersten Klappe, in welcher die Abgasrückführleitung geöffnet ist, der Strömungsquerschnitt durch den ersten Strömungsweg nur im geringem Ausmass verringert. Andererseits wird durch die Wirbelbildung hinter der ersten Klappe eine bessere Durchmischung von rückgeführtem Abgas und Frischgas bewirkt. Das Abgas wird über Kalibrierbohrungen oder Schlitze mit definierten Querschnitten stromabwärts der ersten und zweiten Klappen den einzelnen Einlasskanälen zugeführt, wobei die Querschnitte der Kalibrierbohrungen bzw.
Schlitze für die ersten und zweiten Klappen auch unterschiedlich sein können.
Eine sehr kompakte und einfache Lösung ergibt sich, wenn die Klappen in einem separaten Bauteil zwischen Zylinderkopf und Einlasssammler angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der separate Bauteil durch einen am Zylinderkopf angeflanschten Klappeneinsatz gebildet ist, und die Klappen mehrerer Einlassströmungswege, vorzugsweise mehrerer Zylinder, im Klappeneinsatz angeordnet sind. Das heisse Abgas wird dabei dem vorzugsweise aus Metall bestehenden Klappeneinsatz zugeführt. Es tritt somit keine thermische Belastung des Einlasssammlers oder der Einlassrohrverzweigung durch rückgeführtes Abgas
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auf, so dass diese Teile aus weniger wärmebeständigerem Material, wie beispielsweise Kunststoff ausgeführt werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäss ausgeführten Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine Schrägansicht eines Klappeneinsatzes in Richtung der Strömungsrichtung, Fig. 3 eine Schrägansicht dieses Klappeneinsatzes entgegen der Strömungsrichtung, Fig. 4 eine Draufsicht auf den Klappeneinsatz in einer Ausführungsvariante, Fig. 5 einen Schnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 einen Querschnitt des Klappeneinsatzes gemäss der Linie VI-VI in Fig. 4, Fig. 7 einen Querschnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie VII-VII in Fig. 4, Fig. 8 einen Klappeneinsatz in einer weiteren Ausführungsvariante in Draufsicht, Fig. 9 diesen Klappeneinsatz in einem Schnitt gemäss der Linie IX-IX in Fig. 8, Fig.
10 einen Querschnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie X-X in Fig. 8, Fig. 11 einen Querschnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie XI-XI in Fig. 8, Fig. 12 einen Querschnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie XII-XII in Fig. 8 und Fig. 13 einen Querschnitt durch den Klappeneinsatz gemäss der Linie XIII-XIII in Fig. 8.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist von einer Brennkraftmaschine schematisch ein Zylinder 1 dargestellt, welcher über zwei Einlassventile 2,3 mit einem Einlasssystem 4 und über zwei Auslassventile 5 mit einem Auslasssystem 6 verbunden ist. Das Einlasssystem 4 beinhaltet zwei Einlassströmungswege 7,8, welche mit einem Einlasssammler 9 verbunden sind. Im Bereich des Zylinderkopfes werden die Einlassströmungswege 7, 8 durch Einlasskanäle 10, 11 gebildet, von denen der erste Einlasskanal 10 drallerzeugend, beispielsweise als Tangentialkanal, und der zweite Einlasskanal 11 als Neutralkanal ausgebildet ist.
Vom Abgasstrang 12 des Auslasssystems 6 führt eine Abgasrückführleitung 13 zurück in die Einlassströmungswege 7,8 des Einlasssystems 4, wobei die Menge des rückgeführten Abgases zentral für mehrere Zylinder durch ein in der Abgasrückführleitung 13 angeordnetes Abgasrückführventi ! 14 gesteuert wird.
Stromabwärts des Abgasrückfuhrventiles 14 verzweigt sich die Abgasrückführleitung 13 in Abgasrückführleitungen 15,16, wobei jede Abgasrückführleitung 15,16 in einen Einlassströmungsweg 7,8 einmündet.
Im Mündungsbereich 17,18 jeder Abgasrückführleitung 15,16 ist eine Klappe 19,20 angeordnet, über welche eine Schnellabschaltung der Abgasrückführung erfolgen kann.
Bei dem in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel übernehmen die Klappen 19,20 nicht die Zumessung der Abgasmenge. Die Zumessung erfolgt über das in Fig. 1 dargestellte separate, zentrale Abgasrückführventils 14, beispielsweise mit Proportionalmagnet und Lagerückmeldung, welches die insbesondere beim Otto-Motor mit Direkteinspritzung anfallenden
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grossen Abgasrückführmengen bewältigen kann. Eine zentrale Anordnung des Abgasrückführventiles in einer Verteilerleiste ist dabei vorteilhaft um eine gute Gleichverteilung des rückgeführten Abgases zwischen den Zylindern zu erreichen.
Die Notwendigkeit einer Abgasrückführ-Schnellabschaltung besteht deshalb, weil über die grossen Querschnitte der Verteilerleitungen 15,16 die Einlassströmungswege 7,8 der einzelnen Zylinder 1 miteinander kommunizieren und Liefergradeinbussen verursachen, welche sich an der Vollast negativ auf das Drehmoment auswirken. Ein weiterer Vorteil der Schnellabschaltung besteht darin, dass das mit den Einlassströmungswegen 7,8 verbundene Volumen der Verteilerleitungen 15,16 minimiert wird, wodurch Totvolumina vermieden werden können, die erst gefüllt oder leergesaugt werden müssen. Durch die Schnellschaltung kann das Transientverhalten des Systems wesentlich verbessert werden. Die verbesserte Regelbarkeit der Abgasrückführung wirkt sich zudem positiv auf den Kraftstoffverbrauch im Fahrzyklus aus.
Mit der im zweiten Einlassströmungsweg 8 angeordneten zweiten Klappe 20 kann nicht nur der Abgasströmungsweg durch die Abgasrückführleitung 16, sondern auch die über den Neutralkanal 11 und das Einlassventil 2 in den Brennraum des Zylinders 1 gelangende Einlassströmung abgeschaltet werden. Durch die Abschaltung des zweiten Einlassströmungsweges 8 ist gewährleistet, dass im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine ausreichende Drallzahlen erreicht werden können. In einer Endstellung der zweiten Klappe 20 ist dabei die Mündung 18 der Abgasrückführleitung 16 geschlossen und der zweite Einlassströmungsweg 8 geöffnet, in der anderen Endstellung dagegen ist die Abgasrückführleitung 16 für das rückgeführte Abgas geöffnet und der zweite Einlassströmungsweg 8 geschlossen. Somit kann die zweite Klappe 20 zwei verschiedene Funktionen erfüllen.
Die Klappen 19,20 sind jeweils einseitig stromaufwärts der Mündungen 17,18 im Bereich der Wände der Einlassströmungwege 7,8 gelagert. Die erste Klappe 19 einerseits und die zweite Klappe 20 andererseits mehrerer Zylinder sind dabei auf jeweils einer gemeinsamen Welle 21,22 befestigt. Es kann auch vorgesehen sein, dass alle Klappen 19,20 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
In sehr kompakten Ausführungen können sich die Klappen 19,20 in einem eigenen Gehäuse, nämlich einem für mehrere Zylinder gemeinsamen Klappeneinsatz 23 befinden, welcher stromabwärts des Einlasssammlers 9 bzw. der Einlassrohrverzweigung 9a und stromaufwärts der Einlasskanäle 10,11 an den Zylinderkopf angeflanscht ist. Der Gehäuseeinsatz 23 ist in Fig. 2 bzw. 3 in Schrägansichten in Strömungsrichtung von der Seite der Einlassrohrverzweigung 9a bzw. entgegen der Strömungsrichtung von der Seite des Zylinderkopfes dargestellt.
In der Sperrstellung für den zweiten Einlassströmungsweg 8 schliesst die Klappe 20 nicht vollkommen dicht, sondern lässt eine definierte Restströmungsmenge über verbleibende Lackage- öffnungen 24, beispielsweise einen Spalt zwischen der Klappe 20 und den Wänden 25 des
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Einlassströmungsweges 8, innerhalb des Klappeneinsatzes 23 zu. Dadurch wird einerseits verhindert, dass über den Ventilschaft des Einlassventiles 2 des abgeschalteten zweiten Einlassströmungsweges 8 Öl angesaugt wird und andererseits erreicht, dass bei Abgasrückführung eine Vermischung mit Frischluft erfolgt.
Da in den Ausführungsbeispielen nur beim Neutralkanal 11 eine Abschaltung des Einlassströmungswcges 8 gewünscht wird, ist die im ersten Strömungsweg 7 angeordnete erste Klappe 19 wesentlich kleiner als der Querschnitt des ersten Strömungsweges 7 ausgeführt, so dass in der in Fig. 1 dargestellten zweiten Endstellung der Kanalquerschnitt durch den ersten Einlassströmungsweg 7 nur im geringem Ausmass verringert wird. Andererseits wird durch die Wirbelbildung hinter der geöffneten ersten Klappe 19 eine bessere Durchmischung von rückgeführtem Abgas und Frischladung bewirkt.
Wie insbesondere aus den Fig. 6 und 7 hervorgeht, wird das Abgas über in den Abgasrückführleitungen 15 und 16 im Bereich der Einmündungen 17,18 in die Einlassströmungswege 7, 8 angeordnete Kalibrierbohrungen 26,27 stromabwärts der Klappen 19,20 den Einlassströmungswegen 7,8 zugeführt. Die durch bearbeitete Bohrungen gebildeten Kalibrierbohrungen 26,27 können für ersten Strömungsweg 7 und zweiten Strömungsweg 8 unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Anstelle der Kalibrierbohrungen 26,27 können auch Schlitze 26a, 27a vorgesehen sein, wie aus den Fig. 10 bis 13 hervorgeht. Die Klappen 19,20 weisen an der der Abgasrückfühjrlei- tung 15,16 zuwendbaren Seite im Schnitt quer zur Drehachse bogenförmig gekrümmte Oberflächen 28a, 29a auf, welche im Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 8 bis 13 durch an den Klappen 19,20 angebrachte Kurvenstücke 28,29 gebildet sind. Die Kurvenstücke 28,29 können sich in den Schlitzen 26a, 27a bewegen, wodurch je nach Klappenstellung verschieden grosse Überströmquerschnitte für das rückgeführte Abgas freigeben werden. Auf diese Weise können die Klappen 19,20 auch die Funktion der Zumessung des rückgeführten Abgases übernehmen, so dass ein separates, beispielsweise zentrales Abgasrückführventil 14 entfallen kann.
Der Antrieb der Wellen 21,22 der Klappen 19,20 erfolgt dabei beispielsweise über einen Stellmotor, so dass sich die Klappenstellung kontinuierlich variieren lässt. Dadurch kann auch durch die Klappen 19,20 der Drall im Zylinder variabel gesteuert werden, um den Bereich mit Schichtbetrieb auszuweiten. Auch für den Teillastbereich mit stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei aktivierter Abgasrückführung kann die kontinuierliche Steuerung der Klappen 19, 20 genutzt werden, um die Verträglichkeit für rückgeführtes Abgas günstig zu beeinflussen. Um den Drall zu variieren, ist es dabei ausreichend, wenn die Klappe 20 im Neutralkanal um einen geringen Winkel von beispielsweise 10 bis 15 von der Stellung "Einlassströmungsweg 8 abgeschaltet" abweicht.
Bei diesen kleinen Veränderungen des Klappenwinkels wird die Abgasrückführung hinter der Klappe 20 noch nicht beeinflusst.
Die kombinierte Kanal- und Abgasrückführ-Abschaltung wird zweckmässiger Weise als Klappeneinsatz 23 in Form eines Zwischenflansches zwischen Zylinderkopf und Einlassrohrver-
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zweigung ausgeführt. Dadurch sind keine wesentlichen Änderungen im Zlyinderkopfkonzept erforderlich. Es kann zudem in den Klappeneinsatz 23 noch die gemeinsame Kraftstoffsammelleitung mehrerer Zylinder integriert sein, so dass eine vormontierbare Einheit samt Injektoren vorgefertigt werden kann. Da das heisse Abgas nur mehr dem Klappeneinsatz 23 zuge- führt wird, können Einlasssammler 9 und/oder Einlassrohrverzweigung 9a aus Kunststoff ausgeführt werden.