DE102007021763A1

DE102007021763A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007021763A1
Application number: DE102007021763A
Authority: DE
Inventors: Akira Toyota Eiraku; Naoki Kariya Kokubo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP4231510B2; JP2007303394A; DE102007021763B4; US20080163623A1; FR2900973B1; FR2900973A1; US7748216B2

Abstract

Eine Turbine (2) eines Turboladers (1) ist an einer Abgasdurchführung angeordnet. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) ist strömungsabwärts und in der Nähe von der Turbine (2) angeordnet. Ein Element (25) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (19) ist auf oder in der Nähe der Achse C eines Auslasskanals (4) der Turbine (2) angeordnet. Eine Wirbelströmung eines Abgases in der gleichen Richtung wie sich ein Turbinenrad (5) dreht wird unmittelbar nach dem Auslasskanal (4) der Turbine (2) erzeugt, so dass die Wirbelströmung des Abgases Kondenswasser in dem Abgas zentrifugieren bzw. nach außen schleudern kann. Das Abgas kontaktiert bzw. gelangt in Berührung mit dem Element (25) in der Nähe der Achse C des Auslasskanals (4), wo im Wesentlichen kein Kondenswasser vorhanden ist, und verhindert so, dass das Element (25) mit Wasser benetzt wird oder berstet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor und insbesondere einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Sensor, der an einer Abgasdurchführung angebracht ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In allgemeinen Verbrennungsmotoren wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases geregelt, indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst wird, der an einer Abgasdurchführung angebracht ist und Einstellungen derart vorgenommen werden, dass das erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem vorbestimmten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (insbesondere ein Sensorelement) eine niedrige Temperaturen besitzt und somit nicht aktiviert ist, zum Beispiel unmittelbar nach dem Starten des Verbrennungsmotors, kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht erfassen. Somit ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, um den Luft-Kraftstoff-Verhältnis schnell zu aktivieren, mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wenn die Heizeinrichtung mit Energie versorgt wird, ausgestattet. Dadurch kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor die Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gleich nach dem Starten des Verbrennungsmotors beginnen, so dass die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schnell starten kann und Emissionen (insbesondere Kaltemissionen) nach dem Starten des Motors reduziert werden können.
Wenn die Abgasdurchführung kalt ist, zum Beispiel unmittelbar nach dem Starten des Motors im kaltem Zustand, wird das Abgas gekühlt, und Wasserdampf, der in dem Abgas enthalten ist, wird kondensiert, so dass Kondenswasser erzeugt wird. Unter solchen Bedingungen kann das Sensorelement, wenn das Kondenswasser während das Sensorelement erwärmt wird an ihm anhaftet, durch „thermischen Schock" bersten bzw. zerspringen. Daher kann das Sensorelement selbst dann nicht erwärmt werden, wenn es erwünscht ist, was eine ungünstige Verzögerung des Starts der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und Schwierigkeiten bei der Verbesserung von Emissionen unmittelbar nach dem Starten des Motors bewirkt.
Es sind bisher verschiedene Vorschläge gemacht worden, um zu verhindern, dass Kondenswasser an dem Sensorelement des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors anhaftet und das Sensorelement berstet. Zum Beispiel umfasst der in der JP-A-9-222416 offenbarte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor innere und äußere Abdeckungen zum Abdecken eines Sensorelements. Die Abdeckungen weisen Öffnungen zum Einleiten eines Abgases zu dem Sensorelement auf. Die Öffnungen der Abdeckungen sind nicht mit einander ausgerichtet, um die Abgasströmungsdurchführung durch die Öffnungen zu verlängern und es so dem Kondenswasser zu erschweren, das Sensorelement zu erreichen.
Mit dieser Struktur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, der in der JP-A-9-222416 offenbart ist, kann jedoch auch das Abgas das Sensorelement nicht leicht erreichen, was die Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verzögern und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsantwort sowie die Genauigkeit der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung verschlechtern kann.
Zwischenzeitlich sind Turbolader als Mittel zur Erhöhung der Ausgangsleistung von Verbrennungsmotoren bekannt. In einem mit einem Turbolader ausgestatteten Verbrennungsmotor erhöht eine an einer Abgasdurchführung angeordnete Turbine die Wärmeleistung der Abgasdurchführung. Daher dauert es relativ lange, die Abgasdurchführung aufzuwärmen, und Kondenswasser wird in einer erhöhten menge und/oder für eine längere Zeit erzeugt. Bei einem strömungsabwärts der Turbine installierten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist es wahrscheinlicher, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit Kondenswasser benetzt wird und dass das Sensorelement bersten wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verbrennungsmotor mit einer Turbine eines Turboladers und einem an einer Abgasdurchführung angeordneten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereit, der verhindern kann, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit Kondenswasser in der Abgasdurchführung benetzt wird und ein Sensorelement berstet.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Verbrennungsmotor bereit, in dem eine Turbine eines Turboladers an einer Abgasdurchführung angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor strömungsabwärts und in der Nähe von der Turbine angeordnet ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist mit einem Element des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf oder in der Nähe einer Achse eines Auslasskanals der Turbine angeordnet.
Wenn das Abgas während des Betriebs des Verbrennungsmotors von dem Auslasskanal der Turbine ausgestoßen bzw. abgegeben wird, wirbelt das Abgas in einem Bereich unmittelbar nach der Auslasskanal in der gleichen Richtung wie sich das Turbinenrad dreht. In dem Abgas enthaltenes Kondenswasser wird durch die Abgaswirbelströmung zentrifugiert und radial nach außen gezwungen. Als Folge davon befindet sich im Wesentlichen kein Kondenswasser in der Nähe der Achse der Auslasskanal. Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Element des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf oder in der Nähe der Achse der Auslasskanal angeordnet. Dadurch kann das Abgas in einem Bereich mit dem Element in Kontakt gelangen, in dem im Wesentlichen kein Kondenswasser vorhanden ist, so dass verhindert wird, dass das Element mit Kondenswasser in Berührung gelangt und dadurch berstet.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Verbrennungsmotor bereit, in dem eine Turbine eines Turboladers an einer Abgasdurchführung und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor strömungsabwärts und in der Nähe der Turbine angeordnet ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor umfasst ein Element zur Kontaktierung eines Abgases und eine Abdeckung zum Abdecken des Elements. Die Abdeckung hat ein Loch zum Einführen des Abgases in der Abgasdurchführung zu dem Element. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist mit dem Loch auf oder in der Nähe eines Achse eines Auslasskanals der Turbine positioniert angeordnet.
In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Loch der Abdeckung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf oder in der Nähe der Achse des Auslasskanals der Turbine angeordnet. Dadurch kann das Abgas durch das Loch in die Abdeckung eingeleitet und das Element in einem Bereich kontaktieren, wo sich kein Kondenswasser befindet. Somit kann verhindert werden, dass das Element in Kontakt mit Kondenswasser gerät und dadurch berstet.
Der erste oder der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung kann mit einer Umführung ausgestattet sein, um es dem Abgas zu ermöglichen, ein Turbinen rad der Turbine zu umgehen bzw. zu umströmen. In diesem Fall kann ein Auslass der Umführung in einen Teil der Abgasdurchführung zwischen dem Auslasskanal und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einer Richtung tangential zu einem Umfang der Abgasdurchführung hin offen sein.
In diesem Aspekt öffnet der Auslass in die Abgasdurchführung in einer Richtung tangential zu dem Umfang der Abgasdurchführung. Wenn bei dieser Konstruktion Abgas durch die Umführung umgeleitet wird, kann sich die Umführungsströmung mit der Wirbelströmung in der gleichen Richtung vermischen. Dadurch wird die Wirbelströmung nicht gestört, so dass eine Fliehkrafttrennung von Kondenswasser in geeigneter Weise ausgeführt werden kann.
Ein Teil der Abgasdurchführung zwischen dem Auslasskanal und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann eine Aussparung aufweisen, die in einer radialen Richtung der Abgasdurchführung nach außen zurückgesetzt ist.
Bei dieser Konstruktion kann durch die Abgaswirbelströmung nach außen geschleudertes Kondenswasser in der Aussparung zurückgehalten werden, so dass verhindert wird, dass das Kondenswasser strömungsabwärts von der Aussparung fließt. Dies kann zuverlässiger verhindern, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit Wasser benetzt wird.
Die Aussparung kann eine Rille bzw. Nut entlang eines Umfangs der Abgasdurchführung sein. Bei dieser Konstruktion kann Kondenswasser in einem länglichen Bereich entlang des Umfangs der Abgasdurchführung zurückgehalten werden, so dass zuverlässiger verhindert wird, das Kondenswasser strömungsabwärts fließt.
Die Rille bzw. Nut kann eine spiralförmige Nut sein, die sich von einer vorbestimmten Position zwischen dem Auslasskanal und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zu einer vorbestimmten Position strömungsabwärts von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erstreckt. Bei dieser Konstruktion kann wie oben nach außen geschleudertes Kondenswasser in der spiralförmigen Nut zurückgehalten werden, wobei es veranlasst wird, entlang der spiralförmigen Nut zu fließen, und strömungsabwärts von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor abgegeben zu werden. Dies kann zuverlässiger verhindern, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit Wasser benetzt wird.
Ein gebogener Abschnitt kann an einem Teil der Abgasdurchführung strömungsabwärts des Auslasskanals ausgebildet sein, und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann an dem gebogenen Abschnitt so angeordnet sein, dass er zu dem Auslasskanal koaxial ist.
Der gebogene Abschnitt kann um einen Winkel von 90° gebogen sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und wobei:
1 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die einen Gaskontaktierungsabschnitt eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt;
3 eine perspektivische Ansicht ist, die ein inneres Abdeckungselement des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt;
4 eine perspektivische Ansicht ist, die ein äußeres Abdeckungselement des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt;
5 eine vertikale Querschnittsansicht zur Erläuterung der Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform zeigt;
6 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die ein Modifikationsbeispiel einer Nut gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine beste Art zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht gemäß einer Ausführungsform, die einen wesentlichen Teil eines Verbrennungsmotors zeigt, insbesondere die Struktur eines Abgassystems davon. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist eine Turbine 2 eines Turboladers 1 an einer Abgasdurchführung des Verbrennungsmotors angeordnet. Der Ausdruck „Abgasdurchführung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf all die Durchführungen, durch die das Abgas des Verbrennungsmotors strömt (mit Ausnahme der unten beschriebenen Umführung). Die Turbine 2 ist strömungsabwärts eines Krümmers angeschaltet, der an einem (nicht gezeigten) Motorkörper befestigt ist. Das von dem Krümmer gelieferte Abgas wird über einen Einlasskanal 3 eingeleitet, versetzt ein Turbinenrad 5 in Drehung und wird anschließend von dem Auslasskanal 4 ausgestoßen. Die Zentrifugalturbine 2 umfasst ein Turbinengehäuse 6 zur drehbaren Unterbringung bzw. Aufnahme des Turbinenrades 5. Das Turbinengehäuse 6 definiert nicht nur den Einlasskanal 3 und den Auslasskanal 4, sondern auch eine Schneckenkammer 7, die auf der radial äußeren Seite des Turbinenrades 5 so angeordnet ist, dass sie das Turbinenrad 5 vollständig umgibt. Das von dem Einlasskanal 3 eingeleitete Abgas strömt in Richtung der radial inneren Seite des Turbinenrades 5, während es in der Schneckenkammer 7 umläuft, um das Turbinenrad 5 in Drehung zu versetzen. Die Drehung des Turbinenrades 5 wird auf ein (nicht gezeigtes) Kompressorrad übertragen, das über eine Turbinenwelle 8 koaxial mit dem Turbinenrad 5 gekoppelt ist, so dass ein Kompressor Frischluft mit Druck in den Verbrennungsmotor einführen kann. Die nachfolgende Richtung des Abgases wird um 90° gebogen, indem das Abgas durch das Turbinenrad 5 strömt. Nach das Abgas dazu verwendet wurde, das Turbinenrad 5 in Drehung zu versetzen, wird es zu einem axialen Ende des Turbinenrades 5 gerichtet und über den Auslasskanal 4 ausgestoßen. Das Turbinenrad 5, die Turbinenwelle 8 und der Auslasskanal 4 sind koaxial zu der Turbinenachse C angeordnet.
Eine Umführung 9, die es dem Abgas ermöglicht, das Turbinenrad 5 zu umgehen, ist zur Laderegelung vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist die Umführung 9 in der Turbine 2 angeordnet und einteilig mit dem Turbinengehäuse 6 ausgebildet. Ein Einlass 10 und ein Auslass 11 der Umführung 9 öffnen in den Einlasskanal 3 bzw. den Auslasskanal 4 und ermöglichen somit eine direkte Verbindung zwi schen dem Einlasskanal 3 und dem Auslasskanal 4. Ein Ladedruckregelventil 12 wird durch einen (nicht gezeigten) Aktuator auf der Grundlage des Ansaugdrucks geöffnet und geschlossen. Insbesondere wird das Ladedruckregelventil 12 geöffnet, wenn der Ansaugdruck einen vorbestimmten oberen Grenzwert erreicht, um zu verhindern, dass der Ladedruck übermäßig ansteigt.
Insbesondere öffnet der Auslass 11 der Umführung 9 in den Auslasskanal 4 in einer Richtung tangential zu dem Umfang des Auslasskanals 4, insbesondere derart, dass das Umführungsgas, das von dem Auslass 11 ausgegeben wird, entlang einer inneren Wand 13 des Auslasskanals 4 strömt. Ein Teil der Seitenoberfläche der Umführung 9 ist entlang eine Richtung tangential zu dem Umfang der Abgasdurchführung mit der Abgasdurchführung verbunden.
Ein Abgasrohr 14 ist strömungsabwärts der Turbine 2 durch Flansche 15 und 16 angeschlossen bzw. angekoppelt. Das Abgasrohr 14 befindet sich in direkter Verbindung mit dem Auslasskanal 4. Das Abgasrohr 14 umfasst einen geraden Abschnitt 17 und einen gebogenen Abschnitt 18, die in dieser Reihenfolge von seiner strömungsaufwärts gelegenen Seite zu seiner strömungsabwärts gelegenen Seite angeordnet sind. Der gerade Abschnitt 17 erstreckt sich von der Verbindung mit dem Auslasskanal 4 auf einer kurzen Länge. Der gebogene Abschnitt 18 ist an einer Position in der Nähe des Auslasskanals 4 um einen Winkel von 90° gebogen. Der gerade Abschnitt 17 ist koaxial zu dem Auslasskanal 4 angeordnet.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases ist an dem gebogenen Abschnitt 18 des Abgasrohrs 14 befestigt. Das heißt, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist strömungsabwärts und in der Nähe von der Turbine 2 angeordnet. Der Ausdruck „Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Sensor, der ein Signal in Übereinstimmung mit der Konzentration an Sauerstoff in dem Abgas ausgibt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor umfasst einen so genannten O₂-Sensor, dessen Ausgangssignal sich bei einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zum Beispiel dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F = 14,6) stark verändert und einen so genannten A/F-Sensor, der sich linear und kontinuierlich verändernde Werte über einen weiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Bereich ausgibt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 in dieser Ausführungsform ist ein O₂-Sensor, kann jedoch ein A/F-Sensor oder ein anderer Typ von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sein.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist in axialer Richtung länglich, und sein axiales Ende ist mit einem Gaskontaktierungsteil 20 versehen, der in dem Abgasrohr 14 angeordnet ist, um mit dem Gas in Berührung zu gelangen. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist an einem äußeren Eckenabschnitt 21 des gebogenen Abschnitts 18 befestigt, insbesondere sitzt er auf einem Sockel 22, der an der äußeren Oberfläche des äußeren Eckenabschnitts 21 ausgebildet ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist mit einem männlichen Gewinde 23 versehen, um in ein Gewindeloch geschraubt zu werden, das in dem Sockel 22 ausgebildet ist. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 koaxial zu der Turbinenachse C angeordnet, das heißt koaxial zu dem Auslasskanal 4. Der Gaskontaktierungsteil 20 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 ist zu dem Auslasskanal 4 gerichtet. Der Auslasskanal 4 ist in dem Gaskontaktierungsteil 20 hin geöffnet.
2 zeigt die Einzelheiten des Gaskontaktierungsteils 20. Der Gaskontaktierungsteil 20 umfasst ein Element 25, das von einem Sensorkörper 24 koaxial zu diesem gestützt wird, und eine Abdeckung 26 zur Abdeckung des Elements 25 von außen. Ein Ende des Elements 25 ragt von dem Sensorkörper 24 hervor. Das Element 25 ist ein Sauerstofferfassungselement, das aus einem festen Elektrolyten gebildet ist. Wenn das Element 25 mit einem Abgas in Kontakt gelangt, sendet es ein Signal in Übereinstimmung mit der Konzentration an Sauerstoff in dem Abgas aus. Das Element 25 hat die Form eines sich verjüngenden und länglichen runden Rohres, dessen axiales Ende abgerundet und verschlossen ist. Die Abdeckung 26 ist aus zwei Abdeckungselementen gebildet, und zwar einem inneren Abdeckungselement 26A, das auch in 3 gezeigt ist, und einem äußeren Abdeckungselement 26B, das auch in 4 gezeigt ist. Sowohl das innere Abdeckungselement 26A als auch das äußere Abdeckungselement 26B hat die Form eines runden Rohres mit konstantem Durchmesser, dessen Ende verschlossen und dessen Basis mit dem Sensorkörper 24 in Eingriff ist.
Um das außerhalb der Abdeckung 26 vorhandene Abgas in die Abdeckung 26 einzuführen und es so in Kontakt mit dem Element 25 zu bringen, weist sowohl das innere Abdeckungselement 26A als auch das äußere Abdeckungselement 26B ein Loch auf, durch das das Gas hindurchströmen kann. Das innere Abdeckungselement 26A weist ein inneres Endloch 27A in der Mitte seiner Endoberfläche und eine Mehrzahl von inneren Seitenlöchern 28A in seiner Umfangsoberfläche auf der Basisseite auf. Das äußere Abdeckungselement 26B weist ein äußeres Endloch 27B in der Mitte seiner Endoberfläche und eine Mehrzahl von äußeren Seitenlöchern 28B in seiner Umfangsoberfläche an der Endseite auf. Das innere Endloch 27A und das äußere Endloch 27B sind konzentrisch zu der Sensorachse O angeordnet, wobei das innere Abdeckungselement 26A und das äußere Abdeckungselement 26B mit dem Sensorkörper 24 zusammenmontiert sind. Dies erleichtert das sofortige Einleiten des Abgases und Einleiten von Kondenswasser. Andererseits sind die inneren Seitenlöcher 28A und die äußeren Seitenlöcher 28B nicht axial oder umfangsmäßig ausgerichtet, so dass das Kondenswasser nur schwer eintreten kann, so dass das Einleiten des Abgases verzögert ist.
Um den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 sofort zu aktivieren, insbesondere das Element 25, umfasst der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 eine elektrische Heizeinrichtung 29 zum Erwärmen des Elements 25. Die Heizeinrichtung 29 mit der Form eines runden Stabes wird in das Element 25 mit der Form eines runden Rohres eingeführt. Wenn der Heizeinrichtung 29 durch eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit Energie zugeführt wird, erhöht die Heizeinrichtung 29 ihre Temperatur, um so das Element 25 aufzuwärmen.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist symmetrisch bezüglich der Sensorachse O angeordnet. Das heißt, der Sensorkörper 24, das Element 25, das innere Abdeckungselement 26A, das äußere Abdeckungselement 26B und die Heizeinrichtung 29 sind koaxial bezüglich der Sensorachse O angeordnet.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 mit seiner Sensorachse O an einer Verlängerung der Turbinenachse C befestigt. Dadurch ist das Element 25 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 auf der Achse des Auslasskanals 4 der Turbine 2 angeordnet (das heißt, auf einer Verlängerung der Turbinenachse C).
Nachstehend sind die Funktionen und Effekte, die von dieser Ausführungsform geliefert werden, beschrieben. Wenn der Verbrennungsmotor betrieben wird, strömt ein Abgas in den Einlasskanal 3 der Turbine 2, versetzt das Turbinenrad 5 in Drehung und wird durch den Auslasskanal 4 abgeführt bzw. ausgestoßen, wie es in 5 gezeigt ist. Nach Durchströmen des Turbinenrades 5 strömt das Abgas entlang der Längsrichtung der Abgasdurchführung. Insbesondere in einem Bereich unmittelbar nach dem Turbinenrad 5 wirbelt das Abgas in der gleichen Richtung wie sich das Turbinenrad 5 dreht, wie es durch den Pfeil „S" in der Zeichnung gezeigt ist.
Wenn die Innenseite der Abgasdurchführung kalt ist, zum Beispiel unmittelbar nach dem Starten des Verbrennungsmotors in einem kalten Zustand, enthält das Abgas in der Abgasdurchführung beigemischt Kondenswasser, das durch Kondensation von in dem Abgas enthaltenen Wasserdampf erzeugt wird. Insbesondere in Fall der Turbine 2, die eine große Wärmekapazität besitzt, neigt eine größere Menge an Kondenswasser dazu, sich mit dem Abgas für eine längere Zeit als ohne die Turbine 2 zu vermischen. Selbst unter solchen Bedingungen jedoch wird das in dem Abgas enthaltene Kondenswasser durch die oben beschriebene Abgaswirbelströmung S zentrifugiert und radial nach außen gegen die innere Wand der Abgasdurchführung gezwungen, um entlang der inneren Wand der Abgasdurchführung strömungsabwärts zu strömen. Auf diese Weise kann das Kondenswasser von dem Abgas zentrifugiert bzw. nach außen geschleudert werden. Es ist experimentell beobachtet, dass eine solche Abgaswirbelströmung S erzeugt wird und dass Kondenswasser in einem Abgas durch die Wirbelströmung S zentrifugiert wird, um entlang der inneren Wand der Abgasdurchführung zu strömen.
Dadurch befindet sich im Wesentlichen kein Kondenswasser in der Nähe der Achse des Auslasskanals 4. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Element 25 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 auf der Achse des Auslasskanals 4 angeordnet. Dadurch kann das Abgas das Element 25 in einem Bereich kontaktieren, in dem im Wesentlichen kein Kondenswasser vorhanden ist, wodurch verhindert wird, dass das Element mit Kondenswasser in Berührung gelangt. Somit kann die Heizeinrichtung 29 mit Energie versorgt werden, um das Element 25 nach dem Starten des Verbrennungsmotors schnell zu erwärmen, während verhindert wird, dass das Element 25 mit dem Kondenswasser in Berührung gelangt und dadurch berstet, selbst wenn ein derartiges Erwärmen ausgeführt wird. Folglich ist es möglich, das Element 25 schneller als im Stand der Technik zu erwärmen und zu aktivieren, so dass die Emissionen, insbesondere die Kaltemissionen, nach dem Starten des Verbrennungsmotors verbessert sind.
Ferner öffnet der Auslass 11 der Umführung 9 in den Auslasskanal 4 in einer Richtung tangential zu dem Umfang des Auslasskanals 4. Bei dieser Konstruktion kann sich, wenn das Ladedruckregelventil 12 geöffnet ist, um ein Umleiten des Abgases zu ermöglichen, wie es durch den gestrichelten Pfeil in der Zeichnung gezeigt ist, die Umströmung B mit der Wirbelströmung S in der gleichen Richtung untereinander vermischen. Dies stört die Wirbelströmung S nicht, so dass die Zentrifugaltrennung des Kondenswassers vorteilhafterweise ohne Unterbrechung ausgeführt werden kann.
Ferner sind das innere Endloch 27A und das äußere Endloch 27B koaxial in dem inneren Abdeckungselement 26A bzw. dem äußeren Abdeckungselement 26B des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 ausgebildet. Bei der Konstruktion kann das Abgas in der Abgasdurchführung sofort das Element 25 in der Abdeckung 26 erreichen und kontaktieren, so dass eine zufriedenstellende Sensorantwort gewährleistet sowie eine hochgenaue Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung realisiert ist. Ferner sind das innere Endloch 27A und das äußere Endloch 27B auf der Achse des Auslasskanals 4 angeordnet. Daher kann das Abgas von einem Bereich, wo sich kein Kondenswasser befindet, eingeleitet und somit verhindert werden, dass das Element 25 mit Wasser benetzt wird. Die inneren Seitenlöcher 28A und die äußeren Seitenlöcher 28B des inneren Abdeckungselements 26A bzw. des äußeren Abdeckungselements 26B ermöglichen ferner die Einleitung des Abgases zur Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Diese Löcher sind nicht ausgerichtet, um zu verhindern, dass Kondenswasser das Element 25 erreicht.
Obwohl in dieser Ausführungsform das Element 25 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 auf der Achse des Auslasskanals 4 der Turbine 2 angeordnet ist, kann das Element 25 auch neben der Achse des Auslasskanals 4 angeordnet sein, solange das Eindringen von Kondenswasser verhindert werden kann. Ebenso kann das äußere Endloch 27B des äußeren Abdeckungselements 26B neben der Achse des Auslasskanals 4 angeordnet sein. Die Abdeckung muss nicht notwendigerweise aus einer Mehrzahl von Abdeckungselementen gebildet sein, sondern kann aus einem einzigen Abdeckungselement gebildet sein.
Nachfolgend ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6 beschrieben. Den gleichen Komponenten wie in der obigen Ausführungsform sind die gleichen Bezugszahlen und Symbole gegeben, so dass sie nicht erneut beschrieben sind.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform nur dahingehend, dass eine radial nach außen vertiefte Aussparung in wenigstens einem Teil der Abgasdurchführung von dem Auslasskanal 4 zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform ist die Aussparung eine Umfangsnut 30 entlang des Umfangs der Abgasdurchführung. Die Umfangsnut 30 ist in dem geraden Abschnitt 17 des Abgasrohrs 14, zwischen dem Auslasskanal 4 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 vorgesehen und erstreckt sich senkrecht zu der Achse des geraden Abschnitts 17 auf dessen gesamten Umfang. Der Querschnitt der Umfangsnut 30 kann jede Form annehmen und ist in dieser Ausführungsform V-förmig. Die äußere Oberfläche des Abgasrohrs 14 hinten an der Umfangsnut 30 ragt radial nach außen hervor, und zwar entsprechend der Form der Umfangsnut 30.
Neben den oben genannten Funktionen und Effekten können die nachfolgenden Funktionen und Effekte mit dieser Ausführungsform gewonnen werden. Durch die Abgaswirbelströmung nach außen geschleudertes bzw. zentrifugiertes Kondenswasser kann in der Umfangsnut 30 zurückgehalten werden, so dass verhindert wird, dass das Kondenswasser strömungsabwärts der Umfangsnut 30 fließt. Dies kann zuverlässiger verhindern, dass das Element 25 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 mit Wasser benetzt wird. Nachdem das Abgas und das Abgasrohr 14 ausreichend erwärmt sind, wird das in der Umfangsnut 30 zurückgehaltene Kondenswasser durch die Wärme von dem Abgas und dem Abgasrohr 14 verdampft und strömungsabwärts abgeführt. Somit wird verhindert, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 mit dem in der Umfangsnut 30 zurückgehaltenen Kondenswasser benetzt wird.
Obwohl nur eine Umfangsnut 30 gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen ist, kann eine Mehrzahl von Umfangsnuten 30 vorgesehen sein.
Eine solche in der Abgasdurchführung vorgesehene Aussparung kann verhindern, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 mit Wasser benetzt wird, indem Kondenswasser in der Aussparung zurückgehalten wird. Die Aussparung ist nicht auf die Umfangsnut 30 wie es oben beschrieben ist begrenzt, sondern kann zum Beispiel eine oder mehrere getrennte Vertiefungen umfassen. Solche Vertiefungen können kreisförmig, rechteckig oder jeder anderen Form sein. Die Aussparung kann in dem Auslasskanal der Turbine vorgesehen sein. Es kann sein, dass sich die Nut nicht auf dem gesamten Umfang erstreckt, sondern nur in einem vorbestimmten Winkelbereich von weniger als 360°.
7 zeigt eine Modifikation einer Nut als die Aussparung. Wie es gezeigt ist, ist die Nut in der Zeichnung eine spiralförmige Nut 40, die sich von einer vorbestimmten Position zwischen dem Auslasskanal 4 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 zu einer vorbestimmten Position strömungsabwärts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 erstreckt. Die spiralförmige Nut 40 erstreckt sich von im Wesentlichen dem strömungsaufwärtsseitigen Ende des geraden Abschnitts 17 des Abgasrohrs 14 zu im Wesentlichen dem strömungsabwärtsseitigen Ende des gebogenen Abschnitts 18 des Abgasrohrs 14. Der Querschnitt der spiralförmigen Nut 40 kann ferner jedwede Form annehmen und ist in dieser Modifikation, wie oben beschrieben, in der Form des Buchstabens V. Die äußere Oberfläche des Abgasrohrs 14 hinten an der spiralförmigen Nut 40 ragt radial nach außen hervor.
Neben den oben beschriebenen Funktionen und Effekten können die folgenden Funktionen und Effekte mit diesem Beispiel gewonnen werden. Durch die Abgaswirbelströmung S nach außen geschleudertes Kondenswasser kann in der spiralförmige Nut 40 zurückgehalten werden, dazu gebracht werden, entlang der spiralförmigen Nut 40 zu fließen und strömungsabwärts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 abgeführt werden. Das zurückgehaltene Kondenswasser kann in der flüssigen Form abgeführt werden, bevor das Abgas und das Abgasrohr 14 hohe Temperaturen erreichen, die ausreichend sind, um das Kondenswasser zu verdampfen. Dies kann zuverlässiger verhindern, dass das Element 25 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 mit Wasser benetzt wird.
Nachfolgend ist noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 8 beschrieben. Den gleichen Komponenten wie in der obigen Ausführungsform sind die gleichen Bezugszeichen und Symbole gegeben, sie werden nicht erneut beschrieben.
Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, unterscheidet sich diese Ausführungsform von den obigen Ausführungsformen in der Form des strömungsabwärts der Turbine 2 angekoppelten Abgasrohrs 50, das Abgasrohr 50 ist als gerades Rohr ohne gebogenen Abschnitt ausgebildet. Das Abgasrohr 50 ist koaxial mit dem Auslasskanal 4 der Turbine 2 verbunden. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 ist an dem Abgasrohr 50 derart befestigt, dass ihre Achsen senkrecht zueinander sind.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 hat eine Abdeckung 52, die länger als die Abdeckung in den obigen Ausführungsformen ist. Die Abdeckung 52 ist aus einem (nicht gezeigten) inneren Abdeckungselement und einem äußeren Abdeckungselement 52B aufgebaut, ebenso wie in den obigen Ausführungsformen. Wenigstens das äußere Abdeckungselement 52B ist länger als das äußere Abdeckungselement in den obigen Ausführungsformen, um so die Achse des Abgasrohrs 50 zu erreichen. Eine Mehrzahl von äußeren Seitenlöchern 53B ist in der Umfangsoberfläche des äußeren Abdeckungselements 52B ausgebildet.
Die äußeren Seitenlöcher 53B sind auf oder in der Nähe der Achse des Abgasrohrs 50 (das heißt der Achse des Auslasskanals 4 der Turbine 2) positioniert. In dieser Ausführungsform sind alle die äußeren Seitenlöcher 53B auf der Höhe der Achse des Abgasrohrs 50 angeordnet, insbesondere ist das äußere Seitenloch 53B, das sich strömungsaufwärts in Richtung des Auslasskanals 4 öffnet, auf der Achse des Abgasrohrs 50 angeordnet. Ferner ist ein äußeres Endloch in der Endoberfläche des äußeren Abdeckungselements 52B ausgebildet, ebenso wie in den obigen Ausführungsformen. Die Anordnung von Löchern des inneren Abdeckungselements ist die gleiche wie in den obigen Ausführungsformen.
Ferner wird in dieser Ausführungsform das Kondenswasser durch die Abgaswirbelströmung S so nach außen geschleudert, dass sich im Wesentlichen kein Kondenswasser in der Nähe der Achse des Abgasrohrs 50 befindet, ebenso wie in den obigen Ausführungsformen. Da in dieser Ausführungsform die Löcher der Abdeckung 52 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 (die äußeren Seitenlöcher 53B) auf der Achse des Abgasrohrs 50 positioniert sind, kann das Abgas in die Abdeckung 52 eingeleitet werden, um das Element 52 in einem Bereich zu kontaktieren, wo sich kein Kondenswasser befindet. Dies kann verhindern, dass das Element 25 mit dem Kondenswasser in Berührung gelangt. Weitere Funktionen und Effekte sind allgemein die gleichen wie jene der obigen Ausführungsformen.
Die Löcher der Abdeckung 52, die sich in die Abgasdurchführung öffnen, das heißt die äußeren Seitenlöcher 53B des äußeren Abdeckungselements 52B können neben der Achse des Abgasrohrs 50 angeordnet sein, solange ein Eindringen von Kondenswasser verhindert werden kann. Die Löcher der Abdeckung 50 können auf andere Weise angeordnet sein. Zum Beispiel können die Löcher in einer Mehrzahl (zum Beispiel zwei) Reihen angeordnet sein, die eine unterschiedliche axiale Position in der Abdeckung 52 aufweisen.
Die Aussparung in den obigen Ausführungsformen (Nut 30 oder spiralförmige Nut 40) können in dieser Ausführungsform vorgesehen sein.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind möglich. Zum Beispiel kann in den in den 1, 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 so angeordnet sein, dass seine Achse bezüglich der Achse des Auslasskanals 4 der Turbine 2 geneigt ist. Das heißt, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 muss nicht notwerndigerweise koaxial zu dem Auslasskanal 4 sein. Ebenso kann in der in 8 gezeigten Ausführungsform der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 19 so angeordnet sein, dass seine Achse bezüglich der Richtung senkrecht zu der Achse des Auslasskanals 4 der Turbine 2 geneigt ist. Das heißt, die Achse des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 19 muss nicht notwendigerweise senkrecht zu der Achse des Auslasskanals 4 sein. Die Löcher der Abdeckung für den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor können hinsichtlich Form, Anzahl und Anordnung variieren.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei eine Turbine eines Turboladers und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor an einer Abgasdurchführung angeordnet sind, ist es möglich, zu verhindern, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in der Abgasdurchführung mit Kondenswasser benetzt wird und ein Sensorelement berstet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die oben beschriebenen begrenzt, sondern umfassen verschiedene Modifikationen, Anwendungen und Äquivalente, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Somit sollte die vorliegende Erfindung nicht einschränkend interpretiert werden und kann auf jede weitere Technologie angewendet werden, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fällt.

Claims

Verbrennungsmotor, in dem eine Turbine (2) eines Turborladers (1) an einer Abgasdurchführung angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) strömungsabwärts und in der Nähe von der Turbine (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) so angeordnet ist, dass ein Element (25) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (19) auf oder in der Nähe einer Achse eines Auslasskanals (4) der Turbine (2) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor, in dem eine Turbine (2) eines Turborladers (1) an einer Abgasdurchführung angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) strömungsabwärts und in der Nähe von der Turbine (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) ein Element (25) zum Kontaktieren eines Abgases und eine Abdeckung (26) zum Abdecken des Elements (25) umfasst, die Abdeckung (26) ein Loch (27A, 27B) aufweist, um das Abgas in der Abgasdurchführung zu dem Element (25) zu leiten, und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) so angeordnet ist, dass das Loch (27A, 27B) auf oder in der Nähe einer Achse eines Auslasskanals (4) der Turbine (2) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, der ferner umfasst: – eine Umführung (9), um es dem Abgas zu ermöglichen, ein Turbinenrad (5) der Turbine (2) zu umgehen; – wobei sich ein Auslass der Umführung (9) in einen Teil der Abgasdurchführung zwischen dem Auslasskanal (4) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) in einer Richtung tangential zu einem Umfang der Abgasdurchführung öffnet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, der ferner umfasst: – eine Umführung (9), um es dem Abgas zu ermöglichen, ein Turbinenrad (5) der Turbine (2) zu umgehen; – wobei ein Teil einer Seitenoberfläche der Umführung (9) mit der Abgasdurchführung entlang einer Richtung tangential zu einem Umfang der Abgasdurchführung verbunden ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Teil der Abgasdurchführung zwischen dem Auslasskanal (4) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) eine Aussparung aufweist (30) die in einer radialen Richtung der Abgasdurchführung nach außen zurückgesetzt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei die Aussparung (30) eine Nut entlang eines Umfangs der Abgasdurchführung ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die Nut eine spiralförmige Nut (40) ist, die sich von einer vorbestimmten Position zwischen dem Auslasskanal (40) und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) zu einer vorbestimmten Position strömungsabwärts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (19) erstreckt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein gebogener Abschnitt (18) an einem Teil der Abgasdurchführung strömungsabwärts des Auslasskanals (4) ausgebildet ist und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (19) an so dem gebogenen Abschnitt (18) angeordnet ist, dass er koaxial zu dem Auslasskanal (4) ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei der gebogene Abschnitt (18) um einen Winkel von 90° gebogen ist.