DE102005017562A1

DE102005017562A1 - Abgasführungseinheit mit Abgaskrümmer und Steuerventil

Info

Publication number: DE102005017562A1
Application number: DE102005017562A
Authority: DE
Inventors: Michele Clemente
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-04-16
Filing date: 2005-04-16
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasführungseinheit (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassammelrohr (2), in das über mehrere Anschlüsse Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine zuführbar ist, einer Abgasleitung (4), über die Abgas zu einer Abgasreinigungseinheit transferierbar ist und einer Abgasrückführleitung (5), über die Abgas zu einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine rückführbar ist, wobei dem Abgassammelrohr ein Steuerventil zugeordnet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist das Steuerventil ein erstes Sperrelement (7) zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasrückführleitung sowie ein zweites Sperrelement (8) zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasleitung auf, wobei das erste Sperrelement und das zweite Sperrelement auf einer gemeinsamen Achse (9) gelagert sind. DOLLAR A Anwendung in Brennkraftmaschinen für Kfz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasführungseinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassammelrohr, in das über mehrere Anschlüsse Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine zuführbar ist, einer Abgasleitung, über die Abgas zu einer Abgasreinigungseinheit und/oder zu einem Abgasturbolader transferierbar ist, und einer Abgasrückführleitung, über die Abgas zu einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine rückführbar ist, wobei dem Abgassammelrohr ein Steuerventil zugeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuerventil zur Beeinflussung der Abgasströmung mit einem besonders einfachen Aufbau bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hilfe einer Abgasführungseinheit nach Anspruch 1 gelöst. Dabei ist dem Abgassammelrohr ein Steuerventil zugeordnet ist, welches ein erstes Sperrelement zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasrückführleitung sowie ein zweites Sperrelement zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasleitung aufweist, wobei das erste Sperrelement und das zweite Sperrelement auf einer gemeinsamen Struktur, insbesondere einer gemeinsamen Achse gelagert sind.

Innerhalb des Abgassammelrohrs ist damit eine Kammer gebildet, in der Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine mischbar ist. Dabei ist das Abgassammelrohr mit Hilfe des Steuerventils einerseits gegen die Abgasrückführleitung und andererseits gegen die Abgasleitung abzusperren. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen Abgassammelrohr und Abgasleitung eine kontinuierliche Durchströmungsquerschnittsveränderung auch ohne eine vollständige Strömungsunterbrechung einstellbar sein kann, während zwischen Abgassammelrohr und Abgasrückführleitung eine vollständige Strömungsunterbrechung ermöglicht sein soll. Ausgehend vom Abgassammelrohr lässt sich die Abgasströmung somit zwischen Abgasrückführleitung und Abgasleitung ohne weitere Rohrleitungselemente aufteilen. Ferner lässt sich eine Auslassöffnung vom Abgassammelrohr zur Abgasleitung vorsehen, die als Drosselstelle ausgeführt ist und eine Einstellfunktionalität für den Abgas-Druck vor einem Abgasturbolader und/oder für einen Abgasvolumenstrom aufweist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung durchgreift die gemeinsame Struktur der Sperrelemente des Steuerventils das Abgassammelrohr in axialer Richtung. Damit reicht diese von einer ersten Auslassöffnung zwischen Abgassammelrohr und Abgasrückführleitung bis zu einer zweiten Auslassöffnung zwischen Abgassammelrohr und Abgasleitung, wobei diese an einander gegenüberliegenden Enden des Abgassammelrohrs angeordnet sein können. Die Sperrelemente sind entweder lagefixiert bzw. einstückig mit der Achse verbunden oder sie sind ggf. federbelastet in Axialrichtung verschieblich auf der Achse gelagert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung das erste Sperrelement und/oder das zweite Sperrelement als verlustarm umströmbarer, kugeliger Körper ausgebildet ist. Bevorzugt sind beide Sperrelement als kugelige, insbesondere rotationselliptische oder tropfenförmige Körper ausgeführt, die möglichst reibungsarm umströmbar sind. Optional kann das Sperrelement zur Sperrung der zweiten Auslassöffnung zwischen Abgassammelrohr und Abgasleitung als (ggf. durchströmbarer) Katalysator-Körper ausgebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abgassammelrohr als Abgaskrümmer ausgeführt und einer Zylinderbank einer als mehrzylindriger Hubkolbenmotor ausgeführten Brennkraftmaschine zugeordnet. Das Abgas mehrerer Zylinder kann dabei im Abgassammelrohr vermischt und ggf. konditioniert (beruhigt, gekühlt, erwärmt etc.) werden bevor eine vermischte Strömung in die Abgasleitung und/oder in die Abgasrückführleitung übertreten kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abgassammelrohr eine erste Auslassöffnung mit einer umlaufenden Dichtkante aufweist, die mit Hilfe des erste Sperrelements verschließbar. Die erste Auslassöffnung ist bevorzugt zwischen Abgassammelrohr und Abgasrückführleitung angeordnet. Optional kann auch eine zweite Auslassöffnung zwischen Abgassammelrohr und Abgasleitung mit einer umlaufenden Dichtkante versehen sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist im Abgassammelrohr wenigstens ein Radiallager zur Führung der gemeinsamen Achse angeordnet. Das Radiallager ist bevorzugt aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff oder Metall ausgeführt und optional elastisch nachgiebig und/oder schwingungsdämpfend gestaltet. Je nach Bedarf können zwei oder mehr Radiallager entlang der Achse des Steuerventils vorgesehen sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Abgassammelrohr und/oder an der Abgasrückführleitung eine insbesondere elektrische Antriebseinheit angeflanscht. Mit Hilfe der Antriebseinheit, die beispielsweise in Form eines Elektromagneten, eines E-Motors oder eines Hydraulikzylinders gestaltet sein kann, wird der Achse des Steuerventils eine Translations- und/oder Rotationsbewegung aufgeprägt, so dass die Sperrelemente von einer zur anderen Arbeitsposition bewegt werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinheit als Linearmotor oder als Rotationsmotor mit einem Lineargetriebe ausgeführt. Bevorzugt kommen hier kompakte Elektromotoren zum Einsatz, mit denen man unabhängig von sonstigen Randbedingungen eine Verstellung des Steuerventils vornehmen kann.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen sind den Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben sind.
Dabei zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasführungseinheit in einer ersten Arbeitsposition und
2 einen Längsschnitt durch die Abgasführungseinheit gemäß 1 in einer zweiten Arbeitsposition.
Eine Abgasführungseinheit 1 für eine Brennkraftmaschine umfasst erfindungsgemäß ein Abgassammelrohr 2, in das über mehrere Anschlüsse 3 in nicht näher dargestellter Weise Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine zuführbar ist (1). Bevorzugt sind die Brennräume als Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine ausgeführt, während das Abgassammelrohr 2 als so genannter Abgaskrümmer aus Metallblechen oder einem Metallgussteil gestaltet und in nicht näher dargestellter Weise an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine fixiert ist.
Wie in 1 dargestellt ist, ist an das Abgassammelrohr 2 eine Abgasleitung 4 angeschlossen, über die Abgas zu einem Abgasturbolader transferierbar ist. Entsprechend ist der Turbinenteil des Abgasturboladers in die Abgasleitung 4 eingeschaltet. Ferner ist an das Abgassammelrohr 2 eine Abgasrückführleitung 5 angeschlossen, über die Abgas zu einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine rückführbar ist. Bevorzugt sind die Abgasleitung 4 und die Abgasrückführleitung 5 – wie in 1 dargestellt – an den Stirnseiten 2a, 2b des Abgassammelrohrs 2 entweder dicht an dieses angeschlossen oder mit diesem verbunden. Insbesondere sind Abgassammelrohr 2 und Abgasleitung 4 bevorzugt einstückig ausgeführt. In bevorzugter Weise sind an dem Abgassammelrohr 2 und an der Abgasrückführleitung 5 einander zugewandte Flansche 11, 12 vorgesehen, die eine V-förmige Längsschnittkontur aufweisen und mittels einer die Flansche ringförmig umgreifenden V-Band-Schelle (nicht dargestellt) aneinander fixierbar sind.
Dem Abgassammelrohr ist ein Steuerventil 6 zugeordnet, welches ein erstes Sperrelement 7 zur Absperrung des Abgassammelrohrs 2 gegen die Abgasrückführleitung 5 sowie ein zweites Sperrelement 8 zur Absperrung des Abgassammelrohrs 2 gegen die Abgasleitung 4 aufweist. Das erste Sperrelement 7 und das zweite Sperrelement 8 sind als verlustarm umström bare, kugelige Körper (bevorzugt als strömungsgünstige Rotationsellipsoide) ausgebildet. Dem ersten Sperrelement 7 ist eine umlaufende, ringförmige Dichtkante zugeordnet, die bevorzugt auf Seiten einer Zuströmöffnung 5a in der Wandung der Abgasrückführleitung 5 oder in einer Wandung des Abgassammelrohres 2 vorgesehen ist. Die Zuströmöffnung 5a bildet umgekehrt betrachtet eine erste Abströmöffnung seitens des Abgassammelrohrs 2.
Dem zweiten Sperrelement 8 ist eine Strömungskammer 4a zugeordnet, in der das zweite Sperrelement je nach Positionierung einen mehr oder weniger großen Strömungsquerschnitt für aus dem Abgassammelrohr 2 ausströmendes Abgas freigibt. Hierzu ist die Strömungskammer 4a der Außenkontur des zweiten Sperrelements 8 angepasst und insbesondere ebenfalls kugelig ausgeführt.
Das erste Sperrelement 7 und das zweite Sperrelement 8 sind auf einer Struktur in Form einer gemeinsamen Achse 9 befestigt. Vorzugsweise sind sie mit der Achse 9 einstückig aus einem Leichtmetall- oder Kunstwerkstoff hergestellt. Die gemeinsame Achse 9 durchgreift das Abgassammelrohr 2 in axialer Richtung, so dass Abgas weitgehend unbeeinflusst entlang der Achse strömen kann. Die Achse 9 durchgreift außerdem sowohl die Zuströmöffnung 5a als auch die Abgasrückführleitung 5, wie aus den Fig. ersichtlich ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Sperrelemente 7, 8 fest oder axial-/drehbeweglich und/oder federbelastet auf der gemeinsamen Achse gelagert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Sperrelemente als kegelige oder plattenartige Körper ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist wenigstens eines der Sperrelemente durchströmbar waben-, sieb- oder gitterartig und/oder mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung und/oder aus einem katalytisch wirksamen Werkstoff ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist anstelle der Achse 9 ein wenigstens abschnittsweise perforiertes Hohlzylinderelement oder dergleichen zur Lagerung der Sperrelemente vorgesehen.
Benachbart zur Strömungskammer 8 ist ein Radiallager 17 zur Führung der Achse 9 in dem Abgassammelrohr 2 angeordnet. Das Radiallager 17 lässt sich einfach als perforierter, d.h. in Axialrichtung durchströmbarer Kunststoff- oder Metallring ausführen, wobei eine elastisch nachgiebige Gestaltung des Radiallagers zugleich zur Schwingungsdämpfung dient.
Endseitig ist die Achse 9 über ein Zahnstangengetriebe 20 an einen Elektromotor 19 angekoppelt, so dass auf einfache Weise eine Linearbewegung der Achse erzielt und eine endseitige, dem Radiallager 17 gegenüberliegende Lagerung erreicht werden kann. Der Elektromotor 19 ist samt Getriebe 20 im Bereich eines Anschlussflansches 5b, bevorzugt mit einer die Flansche 5b, 18 formschlüssig umgreifenden V-Band-Schelle (nicht dargestellt) an die Abgasrückführleitung 5 angeflanscht. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist anstelle des Elektromotors 19 mit rotierendem Läufer samt Getriebe ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Linearantrieb vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Abgasführungseinheit ist in 1 in einer ersten Arbeitsposition dargestellt. In dieser Arbeitsposition blockiert das erste Sperrelement 7 die Zuströmöffnung 5a zur Abgasrückführleitung 5; entsprechend wird das aus den Brennräumen entlassene, entsprechend den Pfeilen A in das Abgassammelrohr 2 gelangende Abgas vollständig an die Abgasleitung 4 weitergeleitet (Pfeil B). In dieser ersten Arbeitsposition gibt hierzu das zweite Sperrelement 8 einen maximalen Durchlassquerschnitt frei, indem es sich zentral bzw. mittig innerhalb der Strömungskammer 8 befindet.
Die erfindungsgemäße Abgasführungseinheit ist in 2 in einer zweiten Arbeitsposition dargestellt, wobei die Achse 9 samt der Sperrelemente 7, 8 gegenüber der ersten Arbeitsposition nach 1 in axialer Richtung verschoben ist. In dieser Arbeitsposition gibt das erste Sperrelement 7 die Zuströmöffnung 5a zur Abgasrückführleitung 5 wenigstens teilweise frei, so dass unter Einstellung einer gewissen Drosselwirkung im Bereich der Zuströmöffnung 5a Abgas in die Abgasrückführleitung 5 strömen kann (Pfeile C). In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des ersten Sperrelements 7 analog zur Strömungskammer 4a ebenfalls eine Strömungskammer mit an die Außenkontur des ersten Sperrelements 7 angepasster Geometrie vorgesehen. In der genannten Arbeitsposition der Abgasführungseinheit 1 sperrt bzw. drosselt das zweite Sperrelement 8 wenigstens teilweise den Zustrom zur Abgasleitung 4 im Bereich 4b (Pfeil D). Entsprechend ist über das Abgassammelrohr 2 eine Aufteilung des Abgasstroms zwischen Abgasrückführleitung 5 und Abgasleitung 4 (zum Turbolader bzw. zum Katalysator/Partikelfilter) erzielbar. Die Aufteilung ist insbesondere über eine Ausbalancierung der einander gegenüberliegenden Drosselstellen 4b, 5a und über ein Absperren der Zuströmöffnung 5a (keine Abgasrückführung) einstellbar.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Abgasführungseinheit lassen sich die aus der zugehörigen Zylinderbank ausströmenden Abgase in nahezu beliebiger Weise auf die Abgasrückführleitung und die Abgasleitung aufteilen. Ein asymmetrisches Abgassammelrohr (Abgaskrümmer) ist nicht erforderlich. Eine in der Abgasleitung vorgesehene Turbolader-Turbine kann auf einen maximalen Durchsatz ausgelegt werden, wobei durch die Abgasführungseinheit die zugeführte Menge an Abgas kontinuierlich steuerbar ist. Durch eine entsprechende Geometrie der Strömungskammer(n) des/der Sperrelement(e) oder eine federnde/bewegliche Aufhängung lässt sich auch eine entkoppelte Sperrwirkung der Sperrelemente erreichen.
Modifizierte Ausführungsbeispiele lassen sich beliebig miteinander kombinieren, wobei auch weitere Abwandlungen und Modifikationen denkbar sind, ohne die Basis des Erfindungsgrundgedankens zu verlassen.

Claims

Abgasführungseinheit für eine Brennkraftmaschine mit – einem Abgassammelrohr (2), in das über mehrere Anschlüsse Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine zuführbar ist, – einer Abgasleitung (4), über die Abgas zu einer Abgasreinigungseinheit und/oder zu einem Abgasturbolader transferierbar ist, und – einer Abgasrückführleitung (5), über die Abgas zu einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine rückführbar ist, wobei – dem Abgassammelrohr (2) ein Steuerventil zugeordnet ist, welches – ein erstes Sperrelement (7) zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasrückführleitung sowie ein zweites Sperrelement (8) zur Absperrung des Abgassammelrohrs gegen die Abgasleitung aufweist, wobei – das erste Sperrelement und das zweite Sperrelement auf einer gemeinsamen Struktur (9) gelagert sind.
Abgasführungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Struktur (9) das Abgassammelrohr (2) in axialer Richtung durchgreift.
Abgasführungseinheit nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sperrelement (7) und/oder das zweite Sperrelement (8) als verlustarm umströmbarer, kugeliger Körper ausgebildet ist.
Abgasführungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassammelrohr (2) als Abgaskrümmer ausgeführt und einer Zylinderbank einer als mehrzylindriger Hubkolbenmotor ausgeführten Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
Abgasführungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassammelrohr (2) eine erste Auslassöffnung (5a) mit einer umlaufenden Dichtkante (10) aufweist, die mit Hilfe des erste Sperrelements (7) verschließbar ist.
Abgasführungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgassammelrohr (2) wenigstens ein Radiallager (17) zur Führung der gemeinsamen Achse (9) angeordnet ist.
Abgasführungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abgassammelrohr (2) und/oder an der Abgasrückführleitung (5) eine insbesondere elektrische Antriebseinheit (19) angeflanscht ist.
Abgasführungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (19) als Linearmotor oder als Rotationsmotor mit einem Lineargetriebe ausgeführt ist.