AT504180B1

AT504180B1 - Brennkraftmaschine mit einem einlasssystem und einem auslasssystem

Info

Publication number: AT504180B1
Application number: AT0180107A
Authority: AT
Inventors: Robert Dr Poeschl
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-02-15
Also published as: AT504180A2; AT504180A3

Description

2 AT 504 180 B1

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, wobei das Auslasssystem über zumindest eine in eine Einlassleitung einmündende Abgasrückführleitung mit dem Einlasssystem verbunden ist, und wobei die Einlassleitung ein Mittel zur Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der zugeführten Frischluft aufweist.

Bei der Abgasrückführung lässt das gekühlte Abgas im homogenen Gemisch mit Frischluft die Verbrennungstemperatur sinken. Dadurch verringert sich der Stickoxid-Anteil im Abgas. Eine optimale Stickoxid-Reduzierung lässt sich bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen aber nur realisieren, wenn die rückgeführten Abgasmengen auf alle Zylinder gleichmäßig aufgeteilt werden. Um dies zu erreichen, ist eine gute Vermischung der Frischluft mit dem rückgeführten Abgas notwendig.

Die DE 100 07 243 C1 beschreibt eine Abgasrückführvorrichtung mit einer Zumischeinrichtung. Die Abgasrückführleitung mündet über eine Auslassöffnung oder Zumischöffnung in einer Frischluftleitung ein, wobei im Bereich der Zumischöffnung der Zumischeinrichtung ein Drallerzeugungselement und/oder ein Turbulenzerzeugungselement vorgesehen ist. Der erzielte Mischerfolg ist allerdings nicht immer ausreichend. Nachteilig ist weiters, dass durch die Zumischeinrichtung die Teileanzahl erhöht und der Strömungswiderstand in der Frischluftleitung nachteilig beeinflusst wird.

Aus der JP 2000-161148 A, sowie aus der JP 2004-232617 A ist ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Abgasrückführleitung über zwei Mündungsöffnungen tangential in eine Einlassleitung mündet. Dadurch entsteht eine drallförmige Einströmung des rückgeführten Abgases. Nachteilig ist, dass der Durchmischungserfolg stark von der Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgases abhängt, wobei bei kleinen Einströmungsgeschwindigkeiten des Abgases der Turbulenzanteil zu gering ist, um eine gute Durchmischung mit der Kernzone der Frischluft zu erreichen, da das Abgas sich vorwiegend and den Oberflächen der Frischluftleitung anlegt.

Die JP 05-223016 A offenbart eine Abgasrückführeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, wobei die Abgasrückführeinrichtung eine Mischkammer zur Durchmischung der Frischluft des Einlasssystems mit aus dem Auslasssystem rückgeführten Abgas aufweist.

Die JP 2004-245062 A zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem zwischen Einlass- und Auslasssystem, wobei ein über ein Zusatzventil schaltbares EGR-Reservoir von der Einlassleitung abzweigt, um zeitversetzt rückgeführtes Abgas dem Einlasssystem zuführen zu können.

Zum Unterschied zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wird bei der JP 2004-245062 A kein strömungstechnischer Ablöseeffekt zur Durchmischung des Abgas/ Frischluftgemisches verwendet.

Untersuchungen zeigen, dass aufgrund der höheren Abgastemperatur und der niedrigeren Dichte das rückgeführte Abgas durch Fliehkrafteinfluss in einer glatten Einlassleitung im Bereich des Innenradius eines Einlasskrümmers ansammelt. Dadurch kommt es zu keiner guten Vermischung der Ladeluft mit dem Abgas. Aufgrund dieser schlechten Vermischung erfolgt auch keine gleichmäßige Aufteilung des Abgases bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen auf die einzelnen Zylinder.

Ferner ist aus der JP 2001-200770 A ein Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylindern bekannt, wobei die Einlassleitung mit einem Resonatorvolumen in Verbindung steht. Die Verbindungsöffnung der Einlassleitung mit dem Resonatorvolumen ist stromaufwärts einer Mündung einer Abgasrückführleitung angeordnet, wobei für jede Zylinderbank ein Austritt aus einem Abgasrückführsammler vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung soll 3 AT 504 180 B1 vor allem das Motorgeräusch verringert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache bauliche Weise eine Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft bei gerings-5 ten Druckverlusten zu erreichen. Querschnittsverringernde Einbauten jeglicher Art sollen dabei vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Mittel durch zumindest ein mit der Einlassleitung verbundenes Resonatorvolumen gebildet ist, wobei die Verbindung des Resonator-io Volumens stromabwärts der Mündung der Abgasrückführleitung in die Einlassleitung angeordnet ist, und wobei das Resonatorvolumen direkt anschließend an die Mündung der Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Resonatorvolumen und der Mündung kleiner ist als der doppelte hydraulische Durchmesser der Abgasrückführleitung. 15 Weitere Verbesserungen in der Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft lassen sich erreichen, wenn der Abstand zwischen dem Resonatorvolumen und der Mündung größer ist als der halbe hydraulische Durchmesser der Abgasrückführleitung. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Resonatorvolumen als Ausstülpung der Einlassleitung ausgebildet ist. 20 Besonders wenn die Abgasrückführleitung quer, vorzugsweise in einem rechten Winkel in die Einlassleitung einmündet, können optimale Mischergebnisse erzielt werden. Durch die quer in die Einlassleitung einmündende Abgasrückführleitung entsteht eine Ablöseblase, welche durch das Resonatorvolumen verstärkt wird und eine verbesserte Durchmischung mit der Kernzone der Frischluft bewirkt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Übergang zwischen der 25 Einlassleitung und der Verbindung zum Resonatorvolumen möglichst scharfkantig ausgebildet ist. Das Ablöseverfahren lässt sich gezielt durch einen definierten Radius zwischen der Einlassleitung und der Verbindung zum Resonatorvolumen beeinflussen. Ein definierter Radius kommt andererseits auch den gusstechnischen Anforderungen entgegen. Fertigungs- bzw. festigkeitsbedingte Radien erfordern tendenziell größere Resonatorvolumen und geringere Abstände 30 zwischen Resonatorvolumen und der Mündung der Abgasrückführleitung.

Die verstärkte Ablöseblase führt zu einer erhöhten Turbulenz im Bereich des Resonatorvolumens, wodurch eine besonders hohe Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft entsteht. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verbindung zum Resonatorvolumen 35 in einer geraden Mischstrecke der Einlassleitung angeordnet ist. Im Falle einer räumlich gekrümmten Einlassleitung kann eine quer zur Achse der Einlassleitung geneigte Abgasrückführleitung der Entmischungstendenz zufolge Dichteunterschied (Frischluft/Abgas) unter Fliehkraftwirkung speziell im Bereich der Mündung der Abgasrückführleitung entgegenwirken. Ein weiteres Verbesserungspotential in gekrümmten Einlassleitungen ermöglicht ein seitlicher Versatz 40 des Resonatorvolumens und/oder der Mündung der Abgasrückführleitung zueinander bzw. aus der Mittelebene heraus und entsprechende Kombinationen. Die Abgasrückführleitung kann einen in Bezug auf eine ihrer die Achse der Abgasrückführleitung beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweisen. 45 Untersuchungen haben ergeben, dass die besten Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Erstreckung des Resonatorvolumens in Richtung der Achse der Einlassleitung mindestens dem hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung entspricht. Positive Durchmischungseffekte haben sich auch noch bei Querschnitten bis zum vierfachen des hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung gezeigt. 50

In einer besonders einfachen Ausführungsvariante kann das Resonatorvolumen im Wesentlichen zylindrisch geformt sein. Besonders günstig ist es, wenn das Resonatorvolumen im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen das Achsenverhältnis vorzugsweise Verhältnis 2:1 mit der längeren Achse quer zur Richtung der Achse der Einlassleitung beträgt. 55 Dabei kann das Resonatorvolumen auch einen in Bezug auf ihre Mittelebene asymmetrischen 4 AT 504 180 B1

Querschnitt aufweisen. Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe des Resonatorvolumens ebenfalls mindestens dem hydraulischen Durchmesser der Abgasrückführleitung entspricht.

Die ideale relative Größe des Resonatorvolumens sinkt mit dem Massenstromverhältnis des rückgeführten Abgases zur Frischluft. Ein motorindividuelles Optimum muss für jede Brennkraftmaschine entsprechend den Bedürfnissen der Verbrennung über mehrere Betriebspunkte durch zahlreiche Simulationsläufe gefunden werden.

Um hohe Abgasrückführmengen optimal mit der Frischluft zu durchmischen ist es vorteilhaft, wenn die Einlassleitung mehrere Mündungen von Abgasrückführleitungen aufweist, wobei die Mündungen in Umfangsrichtung versetzt oder in Strömungsrichtung voneinander beabstandet sein können. Dabei kann zum Erreichen einer optimalen Durchmischung pro Mündung ein Resonatorvolumen vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine Einlassleitung dieser Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt, Fig. 3 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2 in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 4 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2 in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 5 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2 in einer dritten Ausführungsvariante, Fig. 6 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 2 in einer Ausführungsvariante und Fig. 7 die Einlassleitung in einem Schnitt gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 2 in einer anderen Ausführungsvariante.

Die Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlasssystem 2 und einem nicht weiter dargestellten Auslasssystem, welches über zumindest eine Abgasrückführleitung 3 mit einer Einlassleitung 4 verbunden ist. Mit Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 sind die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 bezeichnet. Jeder Zylinder Z1 bis Z5 weist im Ausführungsbeispiel zwei mit dem Einlasssystem 2 kommunizierende Einlassöffnungen 5 und zwei mit dem Auslasssystem verbundene Auslassöffnungen 6 auf.

Die geschwungen ausgeführte Einlassleitung 4 weist zwischen einem Bogen 12 und einem Einlasskrümmer 13 eine Mischstrecke 9 auf, welche im Ausführungsbeispiel annähernd gerade ausgeführt ist.

Stromabwärts der Mündung 3a der Abgasrückführleitung in die Einlassleitung 4 ist eine durch ein Resonatorvolumen 7 gebildete Mittel 8 zur Durchmischung des rückgeführten Abgases 11 mit zugeführter Frischluft 10 vorgesehen. Mit 7a ist eine Verbindung zwischen dem Resonatorvolumen 7 und der Einlassleitung 4 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel weist das zylindrische Resonatorvolumen 7, sowie die Verbindung 7a eine in Richtung der Achse 4' der Einlassleitung 4 gemessene axiale Erstreckung d auf, welche etwa dem hydraulischen Durchmesser dhEGR = 4AEgr/UEgr der Abgasrückführleitung 3 entspricht, wobei mit AEGr der Strömungsquerschnitt und mit UEgr der benetzte Umfang der Abgasrückführleitung 3 im Bereich der Mündung 3a bezeichnet ist. Auch die etwa quer zur Achse 4' gemessene Tiefe t des Resonatorvolumens 7 entspricht etwa dem hydraulischen Durchmesser dhEGR der Abgasrückführleitung 3a. Der Abstand a zwischen der Mündung 3a und der Verbindungsöffnung 7a des Resonatorvolumens 7 ist in etwa der halbe hydraulische Durchmesser dhEGR der Abgasrückführleitung 3.

Die Abgasrückführleitung 3 mündet etwa quer zur Achse 4' der Einlassleitung 4 in diese ein. Dadurch bildet sich eine Ablöseblase, welche durch das stromabwärts der Mündung 3a angeordnete Resonatorvolumen 7 verstärkt wird. In Folge der Ablöseblase bildet sich im Bereich des Resonatorvolumens 7 in der Einlassleitung 4 ein Bereich 14 mit erhöhter Turbulenz wie durch die Pfeile 9a angedeutet ist. Diese Turbulenz verstärkt die Durchmischung des rückgeführten Abgases 11 mit der Frischluft 10 nachhaltig, wodurch in der geraden Mischstrecke 9 eine opti-

Claims

5 AT 504 180 B1 male Durchmischung zwischen der Frischluft 10 und dem rückgeführten Abgas 11 noch vor dem Eintritt in einen der geraden Mischstrecke 9 folgenden Einlasskrümmer 12 erfolgt. Das idealer Weise homogene Abgas/Frischluft-Gemisch 15 wird gleichmäßig auf die einzelnen Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 aufgeteilt. Dabei treten nur minimale Druckverluste aufgrund der zusätzlichen Verwirbelung auf, die wesentlich geringer sind, verglichen mit den Druckverlusten die - zur Erzielung ähnlicher Durchmischungsqualität - unter Anwendung von die Frischluftströmung versperrenden Einbauten auftreten würden. Da sich die Bestandteile Frischluft und Abgas unter Fliehkrafteinwirkung entsprechend ihrer Dichten schichten, kann gezielt eine Durchmischung dadurch gefördert werden, indem eine inverse Verteilung vorinitialisiert wird. Deshalb wird in einer Ausführungsvariante im Bereich des Bogens 12 die Abgasrückführleitung 3 unter einem Winkel α von bis zu 70° - in Bezug auf eine Mittelebene ε der Einlassleitung 4 - in diese einmünden (Fig. 5). Die Mitte der Mündung 3a kann dabei um einen Abstand b zur durch die Achse 12' des Bogens 12 aufgespannten Mittelebene ε versetzt angeordnet sein (Fig. 4). Der Abstand b beträgt etwa bis zu 30 % des hydraulischen Durchmessers dh = 4A/U, wobei mit A der Strömungsquerschnitt und mit U der benetzte Umfang der Einlassleitung 4 im Bereich der Mündung 3a bezeichnet ist. Weiters kann auch das stromabwärts der Mündung 3a angeordnete Resonatorvolumen 7 in gleicher Weise wie die Mündung 3a versetzt in Bezug zur Mittelebene ε der Einlassleitung 4 angeordnet sein, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Mündung 3a der Abgasrückführleitung 3 und das Resonatorvolumen 7 sind somit - in Strömungsrichtung S betrachtet - fluchtend hintereinander angeordnet. Um eine besonders gute Durchmischung zu erreichen, kann weiters zumindest eine weitere Mündung 3a' einer Abgasrückführleitung 3' vorgesehen sein, wie in Fig. 3 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Die Mündungen 3a, 3a' können dabei in einer Normalebene auf die Längsachse 4' in Umfangrichtung versetzt am Einlasskanal 4 angeordnet sein. Zur Erreichung guter Durchmischungserfolge ist es dabei von Vorteil, wenn stromabwärts jeder Mündung 3a, 3a' der Abgasrückführleitung 3, 3' jeweils ein Resonatorvolumen 7, 7' angeordnet ist, wobei die Resonatorvolumen 3, 3' in gleicher Weise wie die Mündungen 3a, 3a' können dabei in einer Normalebene auf die Längsachse 4' in Umfangrichtung versetzt am Einlasskanal 4 angeordnet sein können, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (2) und einem Auslasssystem, wobei das Auslasssystem über zumindest eine in eine Einlassleitung (4) einmündende Abgasrückführleitung (3, 3') mit dem Einlasssystem (2) verbunden ist, und wobei die Einlassleitung (4) ein Mittel (8) zur Durchmischung des rückgeführten Abgases (11) mit der zugeführten Frischluft (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (8) durch zumindest ein mit der Einlassleitung (4) verbundenes Resonatorvolumen (7, 7') gebildet ist, wobei die Verbindung (7a) des Resonatorvolumens (7, 7') stromabwärts der Mündung (3a, 3a') der Abgasrückführleitung (3, 3') in die Einlassleitung (4) angeordnet ist, und wobei das Resonatorvolumen (7, 7') direkt anschließend an die Mündung (3a) der Abgasrückführleitung (3, 3') angeordnet ist, wobei der Abstand (a) zwischen dem Resonatorvolumen (7, 7') und der Mündung (3a, 3a’) kleiner ist als der doppelte hydraulische Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (3, 3').
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Resonatorvolumen (7, 7) und der Mündung (3a, 3a') größer ist als der halbe hydraulische Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (3).
3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (7, 7’) als Ausstülpung der Einlassleitung (4) ausgebildet ist. 6 AT 504 180 B1
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Einlassleitung (4) und der Verbindung (7a, 7a') zum Resonatorvolumen (7, 7') scharfkantig ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der Einlassleitung (4) und der Verbindung (7a, 7a’) zum Resonatorvolumen (7, 7') mit einem definierten Radius ausgebildet ist.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (7a, 7a') zum Resonatorvolumen (7, 7') in einer geraden Mischstrecke der Einlassleitung (4) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (7, 7') im Wesentlichen zylindrisch geformt ist.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (7, 7') im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt aufweist, dessen das Achsenverhältnis vorzugsweise Verhältnis 2:1 mit der längeren Achse quer zur Richtung der Achse (4') der Einlassleitung (4) beträgt.
9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung (a) des Resonatorvolumens (7, 7) in Richtung der Achse (4') der Einlassleitung (4) mindestens dem hydraulischen Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (3, 3') entspricht.
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) des Resonatorvolumens (7, 7') mindestens dem hydraulischen Durchmesser (dhEGR) der Abgasrückführleitung (3, 3') entspricht.
11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (3, 3') quer, vorzugsweise in einem rechten Winkel in die Einlassleitung (4) einmündet.
12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (3, 3') im Bereich eines Bogens (12) der Einlassleitung (4) quer, vorzugsweise unter einem Winkel (a) kleiner gleich 70° in Bezug zu einer durch die Achse (12') des Bogens (12) aufgespannten Mittelebene (ε), in die Einlassleitung (4) einmündet.
13. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (3, 3') einen im Bezug auf eine ihrer die Achse der Abgasrückführleitung (3, 3’) beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweist.
14. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (3a, 3a') der Abgasrückführleitung (3, 3') im Bereich eines Bogens (12) seitlich um einen definierten Betrag (b) der bis zu 30 % des hydraulischen Durchmessers (dh) der Einlassleitung (4) beträgt, in Bezug zu einer durch die Achse (12') des Bogens (12) aufgespannten Mittelebene (ε) versetzt angeordnet ist.
15. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorvolumen (7, 7') im Bereich eines Bogens (12) der Einlassleitung (4) seitlich um einen definierten Betrag (c), der bis zu 30 % des hydraulischen Durchmessers (dh) der Einlassleitung (4) beträgt, aus der Mittelebene (ε) versetzt angeordnet ist.
16. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, 7 AT 504 180 B1 dass das Resonatorvolumen (7, 7') einen in Bezug auf eine ihrer die Achse des Resonatorvolumens (7, T) beinhaltende Mittelebene asymmetrischen Querschnitt aufweist.
17. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (4) mehrere Mündungen (3a, 3a') von Abgasrückführleitungen (3, 3') aufweist, wobei die Mündungen (3a, 3a') in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
18. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (4) mehrere Mündungen (3a, 3a') von Abgasrückführleitungen (3, 3') aufweist, wobei die Mündungen (3a, 3a') in Strömungsrichtung (S) von einander beabstandet sind.
19. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass pro Mündung (3a, 3a') ein Resonatorvolumen (7, 7') vorgesehen ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen