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Die Erfindung betrifft eine Abgasrückhalteanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Motorblock mit zumindest einem Zylinder, zumindest einem Abgasauslasskanal je Zylinder, einem Abgasauslassventil je Abgasauslasskanal und mit einem Abgasrückhaltekörper, welcher stromabwärts des Abgasauslassventils im Abgasauslasskanal angeordnet ist und über welchen der Abgasauslasskanal verschließbar ist.
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Es sind diverse Strategien zur Abgasrückführung bekannt, die jeweils der Verminderung von Schadstoffemissionen dienen. Neben einer internen und einer externen Abgasrückführung ist auch zwischen Niederdruck- und Hochdrucksystemen zu unterscheiden. In neueren Entwicklungen wird die Abgasrückführung zur weiteren Verminderung der Emissionen zylinderselektiv durchgeführt.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 024 571 B4 eine Abgasrückführvorrichtung bekannt, welche ein rohrförmiges Verteilerelement mit einem Abgaseinlassfenster und mehreren zur Anzahl der Abgasauslassöffnungen Auslassfenstern aufweist, die korrespondierend zum Zündversatz des Verbrennungsmotors über den Umfang des Verteilerelementes verteilt angeordnet sind, wobei die Abgasauslassöffnungen des Gehäuses unmittelbar in die Einlasskanäle des Zylinderkopfes münden. Dieses Verteilerelement wird im Wesentlichen synchron zu Nockenwelle angetrieben, so dass zyklusgenau und zylinderselektiv Abgas in den jeweiligen Zylinder zurückgeführt wird.
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Eine besondere Ausführung einer zylinderselektiven Abgasrückführung ist aus der
US 6,308,666 B1 bekannt, bei der die Abgasrückführung über eine Verbindung der Auslassleitungen zweier einander zugeordneter Zylinder erfolgt. Hierzu ist hinter dem Abgaskrümmer eine rohrförmige Schaltwalze angeordnet, die mit der Nockenwelle gekoppelt ist. Diese Schaltwalze beherrscht den Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine, so dass durch Verschließen dieses Abgasauslasses das Abgas direkt vom Auslassventil eines ausstoßenden Zylinders zum Auslassventil eines ansaugenden Zylinders geführt wird. Es handelt sich somit ebenfalls um eine Form der internen Abgasrückführung, bei der die Abgasmengensteuerung lediglich über die Öffnung eines zusätzlichen Entlüftungsventils erfolgt.
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Diese Systeme ermöglichen zwar eine zyklusgenaue beziehungsweise zylinderselektive Abgasrückführung, jedoch wird hierdurch keine Schadstoffemissionsminderung erzielt, wie dies durch eine Kombination einer externen Abgasrückführung mit einem variablen Ventiltrieb erreichbar ist, bei dem vor dem Beenden des Ausschiebeprozesses des Zylinders das Auslassventil geschlossen wird, um Abgas im Zylinder zu halten.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasrückhalteanordnung sowie ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit denen Schadstoffemissionen ähnlich wie mit einem variablen Ventiltrieb verringert werden können, jedoch der konstruktive Aufwand und die aufzubringenden Stellkräfte im Vergleich zum variablen Ventiltrieb deutlich reduziert werden. Es soll den einzelnen Zylindern zum jeweils optimalen Zeitpunkt Abgas mit möglichst hohem Schadstoffanteil zur nochmaligen Verbrennung zugeführt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasrückhalteanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Dadurch, dass jeder Abgasauslasskanal genau eine Abgasauslassöffnung aufweist, wobei ein Durchströmungsquerschnitt jedes Abgasauslasskanals über einen Abgasrückhaltekörper zyklisch verschließbar ist, kann ein Ausschieben des Abgases aus dem Zylinder durch den Abgasrückhaltekörper bei geöffnetem Auslassventil verhindert werden. Durch die Abgasrückhalteanordnung wird grundsätzlich ein vollständiger, teilweiser oder kein Verschluss des Abgaskanals ermöglicht. Bevorzugt wird in einer letzten Phase des Ausschiebeprozesses des Zylinders der Abgasauslasskanal bei noch geöffnetem Auslassventil durch den jeweiligen Abgasrückhaltekörper verschlossen, so dass in der Phase, in der der Hauptanteil der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen im normalen Ausschiebeprozess in den Abgasstrang gelangen würde, ein Ausschieben verhindert wird und dieser Abgasanteil entsprechend im Zylinder verbleibt, wodurch er der folgenden Verbrennung erneut zugeführt wird. Dies verringert deutlich die Schadstoffemissionen.
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Vorzugsweise weist eine Abgasrückhalteeinrichtung mehrere Abgasrückhaltekörper auf, die miteinander verbunden sind, wobei jedem Abgasauslasskanal ein Abgasrückhaltekörper zugeordnet ist. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt der Abgasrückhaltung für jeden Zylinder separat eingestellt werden, um die Rückhaltung in Zeitpunkten mit höchster Schadstoffbelastung pro Zylinder durchführen zu können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Abgasrückhalteeinrichtung ein Gehäuse auf, in dem mehrere zur Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Abgaseinlassöffnungen und Abgasauslassöffnungen ausgebildet sind, wobei zwischen den Abgaseinlassöffnungen und den Abgasauslassöffnungen jeweils einer der Abgasrückhaltekörper angeordnet ist. Entsprechend besteht die Abgasrückhalteeinrichtung aus einer separat montierbaren Baueinheit, die eine zylinderselektive und zyklusgenaue Rückhaltung des Abgases im Abgaskanal ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Abgasrückhaltekörper gemeinsam in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise der Nockenwelle rotierend angetrieben und korrespondierend zum Zündversatz des Verbrennungsmotors radial versetzt zueinander angeordnet. Somit kann ein Verschluss jedes Zylinders zum bezüglich der Kolbenstellung gleichen Zeitpunkt verwirklicht werden. Durch die kontinuierlich erfolgende Drehung kann die Antriebskraft des Motors genutzt werden, so dass keine zusätzlichen Steller erforderlich sind.
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In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Phasenwinkel der Abgasrückhaltekörper im Vergleich zum Drehwinkel der Nockenwelle über einen Aktor verdrehbar. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt des Verschlusses des Abgaskanals je nach Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zur Kolbenstellung verschoben werden, wodurch eine in der Auswirkung auf die einzelnen Abgasbestandteile veränderliche Wirkung und eine gezielte Schadstoffreduzierung ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise besteht die Abgasrückhalteeinrichtung aus mehreren als Durchgangsventil ausgebildeten Abgasrückhaltekörpern, von denen aus sich Wellenstümpfe erstrecken, über die die Durchgangsventile im Gehäuse gelagert sind. So ergibt sich eine rotatorische Einheit mit geringen erforderlichen Antriebs- und Stellkräften. Durch die Lagerung der einzelnen Durchgangsventile, welche vorzugsweise als Kugelwalzkorper ausgeführt werden, wird deren Position im Gehäuse festgelegt, so dass mit geringeren Toleranzen für höhere Dichtigkeit gefertigt werden kann.
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In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung greifen die Wellenstümpfe benachbarter Durchgangsventile formschlüssig ineinander. Eine derartige Abgasrückhalteeinrichtung ist leicht zu montieren und herzustellen, da ein Toleranzausgleich durch die formschlüssige Verbindung zwischen den Abgasrückhaltekörpern erreicht wird.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse der Abgasrückhalteeinrichtung am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angeflanscht oder ist in den Zylinderkopf integriert. So kann das Volumen zwischen Auslassventil und Abgasrückhalteeinrichtung minimiert werden, was die Rückhaltung der Schadstoffe zum optimalen Zeitpunkt vereinfacht. Des Weiteren wird die Anbindung der Kühlung der Abgasrückhalteeinrichtung an den Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine deutlich vereinfacht.
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In einer weiterführenden Ausführung sind im Gehäuse der Abgasrückhalteeinrichtung Kühlmittelkanäle ausgebildet, wodurch die thermische Belastung der Abgasrückhalteeinrichtung verringert wird. So können andere Materialien verwendet werden. Auch entlastet dies einen gegebenenfalls vorhandenen Aktor zur Drehwinkelverstellung. Des Weiteren wird eine Kühlung erreicht, die sowohl auf das dem Zylinder unmittelbar wieder zugeführte Abgas als auch auf ein gegebenenfalls extern zurückgeführtes Abgas wirkt, wodurch erneut Schadstoffe reduziert werden.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung sind die Kühlmittelkanäle der Abgasrückhalteeinrichtung mit Kühlmittelkanälen des Zylinderkopfes oder des Motorblockes fluidisch verbunden, wodurch zusätzliche Kühlmittelleitungen entfallen. Dies vereinfacht die Montage.
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Eine derartige Abgasrückhalteanordnung kann vormontiert als Baueinheit hergestellt werden und ist auch nachträglich am Zylinderkopf zu befestigen. Die Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschinen können wirksam reduziert werden, ohne kompliziert aufgebaute variable Ventiltriebe mit ihren hohen Stellkräften verwenden zu müssen. Es besteht eine hohe Variabilität bezüglich des Verschlusszeitpunktes, so dass gezielt bestimmte Emissionen, die zu nachweisbaren Zeiten des Ausschiebeprozesses ausgestoßen werden, verringert werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Abgasrückhalteeinrichtung einer erfindungsgemäßen Abgasrückhalteanordnung.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Abgasrückhalteeinrichtung gemäß der 1 in geschnittener Darstellung.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch einen der Abgaskanäle der Abgasrückhalteeinrichtung entlang der Linie A-A in 2.
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4 zeigt eine Schnittansicht durch die Abgasrückhalteeinrichtung entlang der Linie B-B in 2.
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Die erfindungsgemäße Abgasrückhalteanordnung gemäß der dargestellten Ausführungsform weist einen nicht dargestellten Motorblock mit vier Zylindern auf, die durch einen Zylinderkopf verschlossen sind. Im Zylinderkopf sind mehrere Einlassventile und Auslassventile angeordnet, die in bekannter Weise während des Ansaug- und des Ausschiebeprozesses eines sich axial im Zylinder angeordneten Kolbens, geöffnet und geschlossen werden. Stromabwärts jedes Auslassventils erstreckt sich jeweils ein Abgasauslasskanal 2, der sich weiter durch eine Abgasrückhalteeinrichtung 4 zu einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine erstreckt.
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Die Abgasrückhalteeinrichtung 4 weist ein zweiteiliges Gehäuse 6 auf, dessen erstes Gehäuseteil 8 eine Flanschfläche 10 zur Verbindung mit dem Zylinderkopf aufweist und dessen zweites Gehäuseteil 12 eine zweite zur ersten Flanschfläche 10 gegenüberliegende Flanschfläche 14 aufweist, an welcher der Abgaskrümmer befestigt werden kann. Die beiden Gehäuseteile 8, 12 sind mittels Schrauben 16 miteinander verbunden.
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Im ersten Gehäuseteil 8 sind vier Abgaseinlassöffnungen 18 ausgebildet, über die sich jeweils einer der Abgasauslasskanäle 2 zu einer Abgasauslassöffnung 20 im zweiten Gehäuseteil 12 der Abgasrückhalteeinrichtung 4 erstreckt. Jeweils zwischen den Abgaseinlassöffnungen 18 und den Abgasauslassöffnungen 20 ist ein Abgasrückhaltekörper 22 angeordnet, der als Durchgangsventil 24 ausgebildet ist, welches eine sphärische äußere Form mit einem inneren Durchgangsfenster 26 aufweist und durch deren Drehung ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasauslasskanals 2 geregelt beziehungsweise bei fortlaufender Drehung der Durchgangsventile 24 zyklisch genschlossen und wieder geöffnet wird.
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Vom Abgasrückhaltekörper 22 des Durchgangsventils 24 erstrecken sich zu beiden Seiten Wellenstümpfe 28, welche drehbar im Gehäuse 6 über zweiteilige Lagerschalen 30 in entsprechenden Ausnehmungen 32 im Gehäuse 6 gelagert sind. Diese Durchgangsventile 24 mit den Wellenstümpfen 28 und ihren Lagerschalen 30 sind in einer Verbindungsebene zwischen den beiden Gehäuseteilen 8 und 12 angeordnet, wodurch die Durchgangsventile 24 bei der Montage zunächst in das erste Gehäuseteil 8 eingelegt werden können und durch die Befestigung des zweiten Gehäuseteils 12 in ihrer Lage drehbar im Gehäuse 6 fixiert werden.
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Die Wellenstümpfe 28 sind so ausgeformt, dass deren Enden zu einer Seite eine Ausnehmung 34 aufweisen und der gegenüberliegende Wellenstumpf 28 einen korrespondierenden Vorsprung 36 aufweist, so dass zwischen zwei nebeneinander liegenden Durchgangsventilen 24 über die Ausnehmungen 34 und Vorsprünge 36 jeweils eine durch Formschluss ein Drehmoment übertragende Verbindung hergestellt wird. Somit sind die Abgasrückhaltekörper 22 gemeinsam drehend antreibbar. Dazu ragt ein hinterer Wellenstumpf 38 mit einem Ende 40 aus dem Gehäuse 6 heraus. Mittels einer Feder-Nutverbindung 42 wird eine drehfeste Verbindung zwischen diesem Wellenstumpfende 40 und einer Riemenscheibe 44 hergestellt, auf der ein Zahnriemen läuft, der über eine Riemenscheibe der Nockenwelle oder der Kurbelwelle angetrieben wird. Die Größe der Riemenscheiben 44 zueinander wird so gewählt, dass beim Viertaktmotor die Drehzahl der Durchgangsventile 24 der Hälfte der Kurbelwellendrehzahl oder genau der Nockenwellendrehzahl entspricht. Somit öffnet jedes Durchgangsventil während einer Umdrehung der Nockenwelle zweimal.
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Wie in 2 zu erkennen ist, sind die Durchgangsventile 24 entsprechend der Zündfolge zum Teil um 90° radial verdreht zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass bei der dargestellten Vierzylinderverbrennungskraftmaschine der erste und vierte Abgasrückhaltekörper 22 um 90° verdreht zum zweiten und dritten Abgasrückhaltekörper angeordnet ist. Somit entspricht der Versatz des Drehwinkels zweier nebeneinander angeordneter Durchgangsventile der Hälfte des Drehwinkelversatzes der zugehörigen benachbarten Kurbeln der Kurbelwelle und korrespondiert entsprechend zum Zündversatz der Verbrennungskraftmaschine.
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Der Antrieb der Abgasrückhalteeinrichtung 4 kann auch mit einem Aktor versehen werden, über den der Drehwinkel der Abgasrückhaltekörper 22 zum Drehwinkel der Nockenwelle oder zum Drehwinkel der Kurbelwelle verdreht werden kann. Hierfür kann ein beliebiger Aktor verwendet werden, wie er für Nockenwellensteller verwendet wird, wobei die notwendige Antriebskraft deutlich geringer ist, da keine entgegenwirkenden Federkräfte vorhanden sind. Hierdurch kann der Zeitpunkt des Verschlusses des Abgasauslasskanals 2 in Zeitabschnitte gelegt werden, in denen das Abgasauslassventil eines Zylinders sich in einer geöffneten Stellung befindet, wodurch Abgas im Zylinder zurückgehalten wird.
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Insbesondere aus 4 wird ersichtlich, dass im Gehäuse 6 Kühlmittelkanäle 46 ausgebildet sind, die zwischen den Abgasrückhaltekörpern 22, die Lagerschalen 30 dreiseitig umgebend ausgebildet sind. Die Kühlmittelkanäle 46 erstrecken sich entsprechend in beiden Gehäuseteilen 8, 12 zunächst parallel zueinander. Über eine Querbohrung 48 in beiden Gehäuseteilen 8, 12 werden die Kühlmittelkanäle 46 der beiden Gehäuseteile 8, 12 fluidisch miteinander verbunden, wobei im zweiten Gehäuseteil 12 ein Absatz 50 um die Querbohrung 48 ausgebildet ist, in welchem ein Dichtring 52 angeordnet ist, dessen Zwischenlage beim Zusammenschrauben der beiden Gehäuseteile 8, 12 für eine bezüglich des Kühlmittels dichte Anbindung sorgt. Die Kühlmittelkanäle 46 können mit dem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine verbunden werden. Diese Verbindung kann auch direkt beim Anschrauben an den Zylinderkopf unter Zwischenlage einer entsprechenden Dichtung erfolgen.
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Wird nun ein Arbeitszyklus eines einzelnen Zylinders betrachtet, und wird mit dem Verdichtungsprozess gestartet, so befindet sich die Abgasrückhalteeinrichtung 4 kurz vor Verdichtungsende im geschlossenen Zustand. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Einlass- und Auslassventile des Motors geschlossen. Anschließend findet die Verbrennung statt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Abgasrückhalteeinrichtung 4 im geöffneten Zustand, wobei die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind. Daraufhin wird der Kolben nach oben bewegt. Es findet der Ausschiebeprozess bei geöffnetem Auslassventil statt. Zu Beginn dieses Ausschiebeprozesses befindet sich auch die Abgasrückhalteeinrichtung 4 im den Durchströmungsquerschnitt des Abgasauslasskanals 2 freigebenden Zustand. Mit Bewegung des Kolbens nach oben wird jedoch durch die Drehbewegung des zugehörigen Durchgangsventils 24 der Durchströmungsquerschnitt stetig verringert bis dieser vor dem Ende des Ausschiebeprozesses vollständig geschlossen wird. Dies bedeutet, dass der letzte Anteil des Abgases den Zylinder nicht mehr verlässt. Dieses Abgas enthält besonders hohe Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidanteile, die entsprechend nicht ausgestoßen werden. Stattdessen folgt nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens der Ansaugprozess, in dem das im Zylinder verbliebene Abgas erneut angesaugt wird und somit nochmals dem Verbrennungsprozess zugeführt.
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So entsteht ein kostengünstiges und sehr einfach aufgebautes, nachrüstbares System mit geringen Stellkräften, mit dem Schadstoffemissionen zuverlässig verringert werden können. Eine Anpassung an verschiedene Motoren ist problemlos möglich. Des Weiteren wird eine Vorkühlung unmittelbar nach der Verbrennung durchgeführt, wodurch kleinere Abgaskühler verwendet werden können. Eine derartige Abgasrückhaltung kann auch durch ein Phasen bei einem Dieselmotoren nicht erreicht werden, da sich beim Phasen auch das Öffnen der Auslassventile auf einen früheren Zeitpunkt verschieben würde. Dies würde jedoch den Arbeitsprozess nachteilig beeinflussen. Somit kann durch die vorgestellte Abgasrückhalteanordnung bei Dieselmotoren eine Abgasrückhaltung im Zylinder ohne negative sonstige Einflüsse durchgeführt werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Dem Fachmann ist klar, dass bezüglich der Ausbildungen des Gehäuses oder der Anordnung und Anbindung der Kühlmittelkanäle verschiedene Möglichkeiten gegeben sind. Auch die Ventile müssen nicht als Durchgangsventile ausgebildet werden. Auch ist der Antrieb über die Nockenwelle oder Kurbelwelle nicht unbedingt erforderlich. Auch ein direkter Antrieb anderer Ventile wie Klappenventile oder dergleichen, kann verwendet werden, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024571 B4 [0003]
- US 6308666 B1 [0004]
