DE10014850A1 - Kolbenmotor mit Abgasrückführungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenmotor mit mehreren Zylindern, die mittels Einlaß- und Auslaßventilen gesteuert sind, mit einem Ansaugtrakt, der die Zylinder mit Verbrennungsluft versorgt, und mit einer Abgasrückführungseinrichtung, die eine Rückführung von Abgas in den Ansaugtrakt ermöglicht. DOLLAR A Zur Verbesserung der Abgasrückführung weist die Abgasrückführungseinrichtung für jeden Zylinder eine Abgasrückführungsleitung auf, die das Abgas dem jeweiligen Zylinder nach der Brennstoffzündung und bei geschlossenen Einlaß- und Auslaßventilen entnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenmotor mit mehreren Zylin­ dern, die mittels Einlaßventilen und Auslaßventilen gesteu­ ert sind, mit einem Ansaugtrakt, der die Zylinder mit Ver­ brennungsluft versorgt, und mit einer Abgasrückführungsein­ richtung, die eine Rückführung von Abgas in den Ansaugtrakt ermöglicht.

Mit Hilfe einer Abgasrückführung wird bei modernen Kolbenmo­ toren versucht, die Abgaswerte und den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern. Ein herkömmlicher Kolbenmotor weist einen Abgastrakt auf, der einen Abgassammler besitzt, der über Abgasrohre mit den einzelnen Zylindern verbunden ist. Eine herkömmliche Abgasrückführung entnimmt aus dem Ab­ gassammler oder aus den Abgasrohren zwischen den Zylindern und dem Abgassammler das für die Rückführung bestimmte Ab­ gas. Das entnommene Abgas wird dann in einen Ansaugluftsamm­ ler des Ansaugtraktes eingeleitet, der über Saugrohre mit den einzelnen Zylindern verbunden ist.

Als Antrieb für die Abgasrückführung dient hierbei der an der Entnahmestelle des Abgases herrschende Abgasdruck. Die­ ser hängt vom Strömungswiderstand im Abgasstrang und somit von den darin angeordneten Aggregaten ab, wie z. B. eine Ka­ talysatoranordnung oder ein Abgasturbolader. Wenn der Kol­ benmotor ohne einen Abgasturbolader ausgestattet ist, herrscht im Abgastrakt ein relativ niedriger Druck, so daß zur Realisierung einer größeren Abgasrückführungsmenge rela­ tiv große Leitungsquerschnitte erforderlich sind. Hierbei besteht zusätzlich das Problem, daß sich bei kleineren Strö­ mungsgeschwindigkeiten aufgrund der Abgasabkühlung eine so­ genannte Verkokung ausbildet, wodurch eine Abgasrückfüh­ rungsleitung verunreinigt und im Extremfall verstopft wird. Um diese Probleme zu vermeiden, kann beispielsweise eine Be­ heizung der Abgasrückführungsleitung vorgesehen werden. Der­ artige Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig.

Des weiteren erfolgt die Einleitung der rückgeführten Abgase üblicherweise in den Ansaugluftsammler, wo sich die Abgase mit der angesaugten Frischluft vermischen. Damit diese Ver­ mischung möglichst gleichmäßig erfolgt, so daß sämtliche Zy­ linder mit derselben Abgasrückführungsrate beaufschlagt wer­ den können, bedarf es aufwendiger Maßnahmen für die Einlei­ tung und Durchmischung der Abgase im Ansaugluftsammler. Au­ ßerdem ist die zentrale Zuführung der gegebenenfalls heißen Abgase ebenfalls problematisch, da der Ansaugtrakt, insbe­ sondere der Ansaugluftsammler regelmäßig aus Kunststoff her­ gestellt ist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Kolbenmotor der eingangs genannten Art eine Aus­ führungsform anzugeben, bei der eine Verunreinigung der Ab­ gasrückführungsleitungen reduziert ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das rück­ zuführende Abgas direkt den Brennkammern der Zylinder zu entnehmen und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem im Abgas ein relativ hoher Druck herrscht. Das Abgas wird demnach zu ei­ nem Zeitpunkt entnommen, zu dem der Verbrennungsprozeß im jeweiligen Zylinder bereits mehr oder weniger abgeschlossen ist und zu dem das sich im Zylinder ausdehnende Gas noch nicht über das Auslaßventil bzw. die Auslaßventile aus dem Zylinder entweichen kann. Die Abgasentnahme aus dem Zylinder kann dabei während eines vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt gerichteten Expansionshubes eines dem Zylinder zu­ geordneten Kolbens stattfinden. Bevorzugt wird jedoch eine Abgasentnahme kurz vor oder während dem unteren Totpunkt des Kolbens, da auf diese Weise durch die Abgasrückführung nur eine geringe Expansionsleistung aus dem Zylinder entnommen wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird das Druckniveau des rückgeführten Abgases beträchtlich erhöht, so daß sich hohe Strömungsgeschwindigkeiten für die Abgasrückführung erzielen lassen. Dementsprechend kommt die Abgasrückführungseinrich­ tung mit relativ kleinen Leitungsquerschnitten aus, wodurch Bauraum eingespart werden kann. Des weiteren kommt es auf­ grund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten kaum zu Ablage­ rungen in den Abgasrückführungsleitungen. Darüber hinaus läßt sich besonders einfach eine gepulste Abgasrückführung erzielen, die dazu beiträgt, daß sich gegebenenfalls in den Abgasrückführungsleitungen ablagernde Verunreinigungen wie­ der lösen können, wodurch sich eine Selbstreinigung ausbil­ det.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung können die Abgasrückführungsleitungen das Abgas demjenigen Zylinder zu­ leiten, dessen Einlaßventil geöffnet ist bzw. dessen Einlaß­ ventile geöffnet sind. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Abgasrückführungseinrichtung, bei der das rückgeführte Abgas dem Ansaugluftsammler und somit gleichzeitig allen Zylindern zugeleitet wird, erfolgt hier eine Spezialisierung, bei der das rückgeführte Abgas genau demjenigen Zylinder zugeführt wird, der gerade mit einem Frischluft-Abgas-Gemisch befüllt werden soll. Durch diese Maßnahme hat das rückgeführte Abgas nur eine relativ kurze Verweildauer im Ansaugtrakt, so daß dort Hitzeprobleme reduziert werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Abgasein­ leitung in die Saugrohre des Ansaugtraktes jeweils mittels einer Düse erfolgen, die am Ende der jeweiligen Abgasrück­ führungsleitung ausgebildet ist. Zweckmäßig werden diese Dü­ sen jeweils so orientiert und angeordnet, daß das Abgas in der Befüllungsrichtung des jeweiligen Zylinders in das Saug­ rohr eindüst oder einströmt. Diese Maßnahmen haben eine wei­ tere Verkürzung der Verweilzeit des Abgases im Ansaugtrakt zur Folge und reduzieren dadurch einerseits Überhitzungspro­ bleme im Ansaugtrakt und verbessern andererseits die Befül­ lung des jeweiligen Zylinders.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung an­ hand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je­ weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom­ binationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert.

Die einzige Fig. 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstel­ lung eines erfindungsgemäßen Kolbenmotors.

Entsprechend Fig. 1 weist ein Kolbenmotor 1, hier ein 4- Zylinder-Reihenmotor, eine Zylinderbank 2 auf, die vier Zy­ linder 3, 4, 5 und 6 enthält. In jedem dieser Zylinder 3, 4, 5 und,6 befindet sich eine Brennkammer 7, 8, 9, 10 und ist ein hier nicht dargestellter Kolben hubverstellbar gelagert. Jedem Zylinder 3, 4, 5, 6 ist eine Zündkerze 11, 12, 13, 14 zugeordnet sowie ein Einlaßventil 15, 16, 17, 18 und ein Auslaßventil 19, 20, 21, 22. Es ist klar, daß jeder Zylinder auch mit mehreren Einlaßventilen und/oder mit mehreren Aus­ laßventilen ausgestattet sein kann.

Die Zylinder 7, 8, 9, 10 des Kolbenmotors 1 werden über ei­ nen Ansaugtrakt 23 mit Frischluft versorgt, wobei dieser An­ saugtrakt 23 einen Ansaugluftsammler 24 aufweist, der über jeweils einem der Zylinder 3, 4, 5, 6 zugeordnete Saugrohre 25, 26, 27, 28 mit den Brennkammern 7, 8, 9, 10 der Zylinder 3, 4, 5, 6 kommuniziert. Dabei münden die Saugrohre 25, 26, 27, 28 jeweils über einen trichterförmigen Einlaßbereich 29, 30, 31, 32 in den Ansaugluftsammler 24 ein, wodurch eine zum jeweiligen Zylinder 3, 4, 5, 6 hin ausgerichtete Ansaugströ­ mung ausgebildet werden kann.

Des weiteren besitzt der Kolbenmotor 1 einen Abgastrakt 33 mit einem Abgassammler 34, der über den Zylindern 3, 4, 5, 6 zugeordnete Abgasrohre 35, 36, 37, 38 mit den Zylindern 3, 4, 5, 6 kommuniziert. Über den Abgastrakt 33 werden die Ver­ brennungsabgase beispielsweise einem Katalysator einer Ab­ gasreinigungseinrichtung zugeführt.

Schließlich ist der Kolbenmotor 1 mit einer Abgasrückfüh­ rungseinrichtung ausgestattet, die für jeden Zylinder 3, 4, 5, 6 eine separate Abgasrückführungsleitung 39, 40, 41, 42 aufweist. Jeder Zylinder 3, 4, 5, 6 ist dazu mit einer Ent­ nahmestelle 43, 44, 45, 46 versehen, die jeweils an eine der Abgasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 angeschlossen ist. Jede der Abgasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 mündet in einer Düse 47, 48, 49, 50, die jeweils im Einlaßbereich 29, 30, 31, 32 eines der Saugrohre 25, 26, 27, 28 angeordnet ist. Dabei sind diese Düsen 47, 48, 49, 50 so orientiert und positioniert, daß der Abgasaustritt aus diesen Düsen 47, 48, 49, 50 in Richtung einer Befüllungsströmung oder Saugströ­ mung zur Befüllung des jeweiligen Zylinders 3, 4, 5, 6 strömt. Die Entnahmestellen 43, 44, 45, 46 und/oder die Ab­ gasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 und/oder die Düsen 47, 48, 49, 50 können ventilgesteuert sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in jeder Abgasrückführungsleitung 39, 40, 41, 42 ein Steuerventil 52, 53, 54, 55 angeordnet, das über ein Steuergerät 51 betätigt wird. Dieses Steuerge­ rät 51 kann in eine bereits vorhandene Motorsteuerung imple­ mentiert sein.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei die gewählte Zuordnung der einzelnen Abgasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42, die einerseits einem bestimmten Zylinder 3, 4, 5, 6 das Abgas entnehmen (Geberzylinder) und dieses andererseits einem an­ deren bestimmten Zylinder 3, 4, 5, 6 zuführen (Nehmerzylin­ der). Bei einem herkömmlichen 4-Zylinder-Reihenmotor ergibt sich aufgrund der üblichen Kurbelwellengeometrie z. B. die Zündfolge: 1-3-4-2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel be­ deutet dies folgende Zündfolge: Zylinder 3, Zylinder 5, Zy­ linder 6, Zylinder 4. Ein 4-Takt-Kolbenmotor 1 besitzt einen Expansionshub, der nach der Zündung des Kraftstoff- Frischluft-Gemischs eine Kraftübertragung auf den Kolben be­ wirkt, einen Austreibhub, bei dem nach dem Expansionshub das Abgas aus dem Zylinder ausgetrieben wird, einen Ansaughub, bei dem nach dem Austriebhub Frischluft in den Zylinder an­ gesaugt wird, und einen Kompressionshub, bei dem nach dem Ansaughub die Frischluft bis zur Zündung verdichtet wird. Die vorgenannte Zündfolge hat bei einem 4-Takt-Kolbenmotor 1 demnach zur Folge, daß der Expansionshub des Zylinders 3 mit dem Ansaughub des Zylinders 6 zusammenfällt. Dementsprechend bewirkt eine Abgasentnahme aus dem Geber-Zylinder 3 während dessen Expansionshubes eine Abgaseindüsung in das Saugrohr 28 zu einem Zeitpunkt, zu dem der Nehmer-Zylinder 6 sich in seinem Ansaughub befindet und befüllt werden soll. Durch den während des Expansionshubes des Geber-Zylinders 3 herrschen­ den hohen Abgasdruck ergibt sich eine hohe Abgasgeschwindig­ keit, wodurch die Befüllung des Nehmer-Zylinders 6 unter­ stützt wird. Entsprechendes gilt für die anderen Zylinder 4, 5, 6, denn während des Expansionshubes des Geber-Zylinders 4 weist der zugehörige Nehmer-Zylinder 5 seinen Ansaughub auf. Während des Expansionshubes des Geber-Zylinders 5 besitzt der zugeordnete Nehmer-Zylinder 4 seinen Ansaughub. Schließ­ lich durchläuft der Nehmer-Zylinder 3 seinen Ansaughub, wäh­ rend der zugeordnete Geber-Zylinder 6 seinen Expansionshub aufweist. Durch die so ausgebildete Verschaltung der Abgas­ rückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 wird gewährleistet, daß stets bei einem Expansionshub eines der als Geberzylinder dienenden Zylinder 3, 4, 5, 6 Abgas gezielt demjenigen als Nehmerzylinder dienenden Zylinder 3, 4, 5, 6 zugeführt wer­ den kann, bei dem gerade der Ansaughub vorliegt.

Durch eine hier nicht dargestellte Steuerung wird die Abgas­ rückführung so betrieben, daß das Abgas aus den Zylindern 3, 4, 5, 6 nur während der Expansionshübe der Zylinder 3, 4, 5, 6 erfolgt, d. h., das Abgas wird dem jeweiligen Zylinder 3, 4, 5, 6 nach der Brennstoffzündung und bei geschlossenen Einlaßventilen 15, 16, 17, 18 und geschlossenen Auslaßventi­ len 19, 20, 21, 22 entnommen. Vorzugsweise wird die Abgas­ entnahme in der Nähe oder im Bereich des unteren Totpunkts des jeweiligen Kolbens am Ende des Expansionshubes entnom­ men. Zum Steuern bzw. Regeln der rückgeführten Abgasmenge können z. B. die Entnahmestellen 43, 44, 45, 46 ventilgesteu­ ert sein. Ebenso können die Düsen 47, 48, 49, 50 steuerbar ausgebildet sein. Auch in den Abgasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 können steuerbare Drosselstellen oder Ventile an­ geordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasrückfüh­ rung ergibt sich in den einzelnen Abgasrückführungsleitungen 39, 40, 41, 42 eine impulsartige, stoßartige Abgasrückfüh­ rungsströmung, die einen selbstreinigenden Effekt besitzt. Da das Abgas auf einem relativ hohen Druckniveau aus den Zy­ lindern 3, 4, 5, 6 entnommen wird, lassen sich relativ große Abgasrückführungsgeschwindigkeiten erzielen, so daß bereits kleine Leitungsquerschnitte ausreichen, eine hinreichende Abgasrückführungsmenge zu erzielen. Dementsprechend kommt die erfindungsgemäße Abgasrückführungseinrichtung mit einem relativ kleinen Bauraum aus. Die Aufladung bzw. Beladung der einzelnen Zylinder 3, 4, 5, 6 bei deren Ansaughub kann durch die gerichtete Eindüsung des Abgases unterstützt werden, wo­ durch sich die Befüllungsgeschwindigkeit erhöhen läßt. Au­ ßerdem ergibt sich aufgrund der hohen Strömungsgeschwindig­ keiten eine intensive Durchmischung des rückgeführten Abga­ ses mit der zugeführten Frischluft.

Bei einer entsprechenden Anordnung und Ausbildung der Düsen 47, 48, 49, 50 kann zusätzlich eine Art Saugstrahlwirkung erreicht werden, die eine gewisse Aufladung der dem jeweili­ den Zylinde 3, 4, 5, 6 zugeführten Luft-Abgas-Mischung er­ gibt. Insofern kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Abgasrückführung auch eine Leistungssteigerung des Kol­ benmotors 1 erreicht werden.

Claims (11)

1. Kolbenmotor mit mehreren Zylindern (3, 4, 5, 6), die mit­ tels Einlaßventilen (15, 16, 17, 18) und Auslaßventilen (19, 20,21, 22) gesteuert sind, mit einem Ansaugtrakt (43), der die Zylinder (3, 4, 5, 6) mit Verbrennungsluft versorgt, mit einer Abgasrückführungseinrichtung, die eine Rückführung von Abgas in den Ansaugtrakt (23) ermöglicht,
wobei die Abgasrückführungseinrichtung für jeden Zylinder (3, 4, 5, 6) eine Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) auf­ weist, die das Abgas dem jeweiligen Zylinder (3, 4, 5, 6) nach der Bennstoffzündung und bei geschlossenen Einlaßventilen (15, 16, 17; 18) und geschlossenen Auslaßventilen (19, 20, 21, 22) entnimmt.

2. Kolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) einem be­ stimmten Geber-Zylinder, dem die Abgasrückführungsleitung Abgas entnimmt und einem bestimmten Nehmer-Zylinder zuge­ ordnet ist, dem die Abgasrückführungsleitung Abgas zuführt.

3. Kolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Geber-Zylinder und Nehmer-Zylinder so gewählt sind, daß die jede Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) dem Geber- Zylinder das Abgas dann entnimmt, wenn das (die) Einlaßven­ til(e) (15, 16, 17, 18) des Nehmer-Zylinders geöffnet ist (sind).

4. Kolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführungsleitungen (39, 40, 41, 42) das Abgas direkt in den zugeordneten Zylinder (3, 4, 5, 6) einleiten.

5. Kolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugtrakt (23) für jeden Zylinder (3, 4, 5, 6) ein Saugrohr (25, 26, 27, 28) aufweist, und daß jede Abgasrückfüh­ rungsleitung (39, 40, 41, 42) das Abgas in dasjenige Saugrohr (25, 26, 27, 28) einleitet, bei dessen Zylinder (3, 4, 5, 6) das oder die Einlaßventile (15, 16, 17, 18) geöffnet sind.

6. Kolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführungseinrichtung so ausgebildet ist, daß jede Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) das Abgas dem jeweiligen Zylinder (3, 4, 5, 6) vor oder beim Erreichen des unteren Totpunktes eines diesem Zylinder (3, 4, 5, 6) zugeord­ neten Kolbens entnimmt.

7. Kolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaseinleitung in die Saugrohre (25, 26, 27, 28) je­ weils mittels einer Düse (47, 48, 49, 50) erfolgt, die am Ende der jeweiligen Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) ausge­ bildet ist.

8. Kolbenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (47, 48, 49, 50) jeweils so orientiert und ange­ ordnet sind, daß das Abgas in der Befüllungsrichtung des je­ weiligen Zylinders (3, 4, 5, 6) in das Saugrohr (25, 26, 27, 28) eindüst.

9. Kolbenmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugtrakt (23) einen Ansaugluftsammler (24) auf­ weist, an dem die Saugrohre (25, 26, 27, 28) jeweils über einen Einlaßbereich (29, 30, 31, 32) angeschlossen sind, und daß die Düsen (47, 48, 49, 50) jeweils im Einlaßbereich (29, 30, 31, 32) des zugeordneten Saugrohrs (25, 26, 27, 28) angeordnet sind.

10. Kolbenmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (47, 48, 49, 50) jeweils nach Art einer Pumpe ausgebildet sind, die beim Einleiten des rückgeführten Abga­ ses in den Ansaugtrakt (23) die Ansaugluft in Richtung zum zugehörigen Zylinder (3, 4, 5, 6) beschleunigt.

11. Kolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abgasrückführungsleitung (39, 40, 41, 42) ein se­ parates Steuerventil (52, 53, 54, 55) zugeordnet ist, wobei ein Steuergerät (51) zur Betätigung der Steuerventile (52, 53, 54, 55) vorgesehen ist.