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ERKLÄRUNG ZU STAATLICHER FORSCHUNG
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter Vertrag Nr. DE-FC26-07NT43271, erteilt vom Ministerium für Energie, gemacht. Die U.S.-Regierung hat gewisse Rechte an der Erfindung.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Systeme für Sekundärlufteinblasung für Verbrennungsmotoren.
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HINTERGRUND
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Ein Motorsteuermodul eines Verbrennungsmotors steuert das Gemisch aus Kraftstoff und Luft, das den Brennräumen des Motors zugeführt wird. Nachdem die Zündkerze das Luft/Kraftstoff-Gemisch zündet, erfolgt die Verbrennung und später treten die Verbrennungsgase durch Auslassventile aus den Brennräumen aus. Die Verbrennungsgase werden durch einen Abgaskrümmer zu einem Katalysator oder anderen Abgasnachbehandlungssystemen geleitet.
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Während bestimmter Motorbetriebszeiträume werden Verbrennungsgase, die in den Abgaskrümmer strömen, nicht vollständig verbrannt. Die Verbrennungsgase brennen in dem Abgaskrümmer weiter, wenn eine ausreichende Menge an Sauerstoff verfügbar ist. Es werden Systeme für Sekundärlufteinblasung verwendet, um zusätzliche Luft in die Abgasströmung einzublasen, damit die Verbrennung weiterlaufen kann, was die Leistung der Abgasnachbehandlungssysteme verbessert und Emissionen reduziert.
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Zusätzlich können gesteigerte Leistung und reduzierte Emissionen durch Verwenden eines Turboladers vorgesehen werden. Häufig wird Twin-Scroll-Technologie genutzt, um die Leistung eines turbogeladenen Motors zu steigern; insbesondere von Vier- oder Sechszylinder-Reihenmotoren sowie Motoren mit V-Architektur. Bei Motoren, die mit Twin-Scroll- oder Twin-Turbo-Technologie aufwarten, ist der Abgaskrümmer des Motors ausgelegt, um die Zylinder zu gruppieren, so dass die Vorgänge der Zylinder in der gleichen Gruppe getrennt sind, um eine Abgasströmungsbeeinflussung von Zylinder zu Zylinder zu minimieren. Zylindergruppen können zum Beispiel gebildet sein, um Sequenzen hoher Pulsenergie zum Antreiben des Turbinenrads vorzusehen, wenn jede Gruppe Verbrennung erfährt, wodurch eine Stärke oder Größenordnung von Abgaspulsen beibehalten wird. Eine Gruppe von Zylindern, die phasenverschoben zu einer zweiten feuernden Gruppe von Zylindern ist, beeinflusst bzw. verschlechtert somit einen durch Zünden der feuernden Zylinder erzeugten Abgaspuls nicht. Demnach weisen Twin-Scroll-Turboladersysteme erhöhte Kräfte auf, die zum Verbessern der Turbinenleistung auf das Turbinenrad ausgeübt werden. Systeme für Sekundärlufteinblasung können aber durch Zulassen von Verbindung zwischen der Abgasströmung von Zylindergruppen ein Übersprechen oder eine Degradation zwischen Zylindergruppen zulassen, wodurch die von den Abgasdruckpulsen vorgesehene Energie, die zum Antreiben eines Turbinenrads verwendet werden kann, verringert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein System für Sekundärlufteinblasung eine erste Leitung in Fluidverbindung mit mindestens einem ersten Abgaskanal des Verbrennungsmotors und eine zweite Leitung in Fluidverbindung mit mindestens einem zweiten Abgaskanal des Verbrennungsmotors, wobei der mindestens eine erste und zweite Abgaskanal mit einem Turbolader in Fluidverbindung stehen. Das System umfasst auch eine Luftzufuhr in Fluidverbindung mit der ersten und der zweiten Leitung und eine Strömungssteuerungsvorrichtung, die eine Fluidverbindung zwischen der Luftzufuhr und der ersten Leitung und der zweiten Leitung steuert und dadurch eine Fluidverbindung mit dem ersten und zweiten Abgaskanal des Verbrennungsmotors steuert.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren für Sekundärlufteinblasung zu Auslassöffnungen eines Verbrennungsmotors das Leiten von Verbrennungsgasen von dem Verbrennungsmotor zu einem ersten Abgaskanal und einem zweiten Abgaskanal des Verbrennungsmotors, das Einblasen von Luft von einer ersten Leitung in den ersten Abgaskanal, was ein erstes Abgasgemisch bildet, und das Einblasen von Luft von einer zweiten Leitung in den zweiten Abgaskanal, was ein zweites Abgasgemisch bildet. Das Verfahren umfasst auch das Liefern des ersten Abgasgemisches von der ersten Leitung zu einem Turbolader und das Liefern des zweiten Abgasgemisches von der zweiten Leitung zu dem Turbolader, wobei das erste Abgasgemisch von der ersten Leitung von dem ersten Abgasgemisch von der zweiten Leitung getrennt ist.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den Begleitzeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten kommen lediglich beispielhaft in der folgenden eingehenden Beschreibung der Ausführungsformen vor, wobei die eingehende Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt, bei denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors ist;
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2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Zylinderkopfs und eines Systems für Sekundärlufteinblasung ist;
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3 eine detaillierte Seitenansicht des Systems für Sekundärlufteinblasung von 2 ist; und
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4 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Zylinderkopfs und eines Systems für Sekundärlufteinblasung ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Nutzungen zu beschränken. Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen auch gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht 1 einen beispielhaften Verbrennungsmotor 100, in diesem Fall einen Vierzylinder-Reihenmotor, der ein System für Sekundärlufteinblasung 102, eine Motorblock- und Zylinderkopfbaugruppe 104, eine Abgasanlage 106, einen Turbolader 108 und ein Steuergerät 110 umfasst. Das System für Sekundärlufteinblasung 102 umfasst eine erste Leitung 112, eine zweite Leitung 114, eine Strömungssteuerungsvorrichtung 116 und eine Luftzufuhr 118. Mit der Motorblock- und Zylinderkopfbaugruppe 104 ist ein Abgaskrümmer 120 gekoppelt, der mit der Motorblock- und Zylinderkopfbaugruppe 104 integriert oder außerhalb dieser sein kann. Ferner umfasst die Motorblock- und Zylinderkopfbaugruppe 104 (nicht gezeigte) Zylinder, wobei die Zylinder eine Kombination aus Verbrennungsluft und Kraftstoff erhalten. Das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, was zu einer Hubbewegung von (nicht gezeigten) Kolben führt, die sich in den Zylindern befinden. Die Hubbewegung der Kolben dreht eine (nicht gezeigte) Kurbelwelle, um einem (nicht gezeigten) Fahrzeugantriebsstrang oder einem Generator oder einem anderen (nicht gezeigten) feststehenden Empfänger dieser Leistung im Fall einer stationären Anwendung des Verbrennungsmotors 100 Antriebskraft zu liefern. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches bewirkt eine Strömung von Abgas durch den Abgaskrümmer 120 und Turbolader 108 und in die Abgasanlage 106. Die Abgasströmung 122 von dem Abgaskrümmer 120 kann sekundäre Luft gemischt mit Verbrennungsabgas umfassen, um den Wirkungsgrad der Abgasanlage 106 zu verbessern.
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Die Abgasanlage 106 kann motornah eingebaute Katalysatoren 126 und 128 sowie einen Unterbodenkatalysator 130 umfassen. Das Abgas 132 strömt zur Entfernung oder Reduzierung von Schadstoffen durch die Abgasanlage 106 und wird dann in die Atmosphäre abgelassen. Während der Inbetriebnahme eines beispielhaften Verbrennungsmotors 100 wird ein Teil der Verbrennungsgase, die in den Abgaskrümmer 120 strömen, nicht vollständig verbrannt. Das System für Sekundärlufteinblasung 102 bläst Luft in die Abgasströmung 122, was ein Verbrennen der unverbrannten Verbrennungsgase in dem Abgaskrümmer 120 bewirkt, wodurch Emissionen verringert werden. Im Einzelnen bläst die erste Leitung 112 Luft in die ersten Abgaskanäle 134 und 136 des Abgaskrümmers 120 ein, während die zweite Leitung 114 Luft in die zweiten Abgaskanäle 138 und 140 einblast. Die Strömungssteuerungsvorrichtung 116 liefert selektiv Luft 119 von der Luftzufuhr 118 zu der ersten und der zweiten Leitung 112, 114 zur Lieferung zu den ersten und zweiten Abgaskanälen des Abgaskrümmers. In der dargestellten Ausführungsform stehen die erste Leitung 112 und die zweite Leitung 114 nicht in Fluidverbindung miteinander. Eine beispielhafte Luftzufuhr 118 kann eine oder mehrere Luftpumpen oder geeignete Vorrichtungen umfassen, die ausgelegt sind, um Druckluft zu der Strömungssteuerungsvorrichtung 116 zu leiten. Eine beispielhafte Strömungssteuerungsvorrichtung 116 umfasst eine beliebige geeignete Vorrichtung zum Steuern einer Fluidströmung, wie etwa ein oder mehrere Ventile, Multi-Ventile oder Linearventile. Wenn die erste Leitung 112 und die zweite Leitung 114 Luft in die Abgaskanäle 134, 136, 138 und 140 leiten, vermischt sich die Luft mit dem Verbrennungsabgas, wodurch die Abgasströmung 122 gebildet wird und das Verbrennen der brennbaren Bestandteile der Verbrennungsgase in der Abgasanlage 106 verbessert wird. Bei einem beispielhaften Verbrennungsmotor 100 ist das System für Sekundälufteinblasung 102 ausgelegt, um während eines ausgewählten Zeitraums nach Motorinbetriebnahme, der als Inbetriebnahmezeitraum bezeichnet wird, Luft in die Abgaskanäle 134, 136, 138 und 140 einzublasen, bis die aus dem Motor austretende Menge unverbrannter Verbrennungsgase verringert ist. Demnach befindet sich die Strömungssteuerungsvorrichtung 116 in einer Ausführungsform in einer offenen Stellung, um dem Verbrennungsgas in den Abgaskanälen während des Inbetriebnahmezeitraums sekundäre Luft zu liefern, und befindet sich in einer geschlossenen Stellung, nachdem der Verbrennungsmotor 100 aufgewärmt ist. Das Steuergerät 110 steht mit dem Turbolader 108, der Luftzufuhr 118, der Strömungssteuerungsvorrichtung 116 und der Abgasanlage 106 in Signalverbindung, wobei das Steuergerät 110 ausgelegt ist, um verschiedenen Signaleingänge zum Steuern der Strömung von Luft durch das System für Sekundärlufteinblasung 102 und zu dem Verbrennungsgas in den Abgaskanälen zu steuern. Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff Steuergerät auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Weiter noch unter Bezugnahme auf 1 treibt die Abgasströmung 122 ein (nicht gezeigtes) Turbinenrad des Turboladers 108 an, wodurch Energie zum Erzeugen einer verdichteten Luftladung 142 vorgesehen wird. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die verdichtete Luftladung 142 durch einen Ladeluftkühler 144 gekühlt und wird durch die Leitung 146 zu einem Ansaugkrümmer 148 geführt. Die verdichtete Luftladung 142 sieht zusätzliche Verbrennungsluft (verglichen mit einem nicht turbogeladenen normalen Saugmotor) zur Verbrennung mit Kraftstoff in den (nicht gezeigten) Zylindern vor, wodurch die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 100 verbessert werden. Ferner können beispielhafte Ausführungsformen des Turboladers 108 Twin-Scroll- oder Twin-Turbo-Technologie nutzen. Der beispielhafte Turbolader 108 umfasst ein Twin-Scroll-Turbinengehäuse, das duale, Seite an Seite befindliche Kanäle zum Leiten von Abgas in das Gehäuse nutzt. Twin-Scroll-Technologie trennt die Abgaspulse von den Zylindern unter Berücksichtigung einer Reihenfolge des Feuerns der Zylinder um möglichst viele Grade. Der Twin-Scroll-Turbolader reduziert ein Turboloch, verringert Abgaskrümmergegendruck am oberen Ende des Verbrennungszyklus und steigert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Die Konstruktion des Twin-Scroll-Turboladers verhindert, dass die Verbrennungsabgase 122 von einem Zylinder, der phasenverschoben oder von entgegengesetzter Position ist, die Energie eines Abgaspulses von einem gerade gefeuerten Zylinder reduzieren. Daher halten die erste und die zweite Leitung 112, 114 des Systems für Sekundärlufteinblasung 102 die Trennung von Verbrennungsgasen von phasenverschobenen Zylindern durch separates Zuführen von sekundärer Luft zu Abgaskanälen des Abgaskrümmers gemäß der Reihenfolge des Feuerns der Motorzylinder aufrecht. Zum Beispiel sind bei einem Vierzylinder-Reihenverbrennungsmotor 100 mit einer Reihenfolge des Feuerns von 1-3-4-2 die Verbrennungsgasströmung in den Abgaskanälen 134 und 136 (d. h. Zylinder 1 und 4) phasengleich und die Verbrennungsgasströmung in den Abgaskanälen 138 und 140 (d. h. Zylinder 3 und 2) sind phasengleich. Ferner wird die Verbrennungsgasströmung in den Abgaskanälen 134 und 136 als phasenverschoben zur Verbrennungsgasströmung in den Abgaskanälen 138 und 140 beschrieben. Demgemäß liefert die erste Leitung 112 sekundäre Luft zu den Abgaskanälen 134 und 136 und die zweite Leitung 114 liefert sekundäre Luft zu dem Abgas 138 und 140, eine Abgasströmungsbeeinflussung von Zylinder zu Zylinder (oder ”Übersprechen”) zu verringern oder zu beseitigen und Abgaspulsenergie für den Turbolader 108 beizubehalten. Ferner ist die Konfiguration des Systems für Sekundärlufteinblasung 102 mit der ersten und der zweiten Leitung 112, 114 zum Aufrechthalten von Abgaspulsenergie zusätzlich für beispielhafte Turbolader 108, die Twin-Turbo-Technologie nutzen, von Vorteil. In einer beispielhaften Ausführungsform beschreibt phasengleich Zylinder mit zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen ähnlichen Positionen in dem Verbrennungszyklus, so dass die ersten und zweiten feuernden Zylinder bezüglich der dritten und vierten feuernden Zylinder phasenverschoben sind. Somit ist eine ”durchschnittliche” Position (die durchschnittliche Position in dem Zyklus) der ersten und zweiten feuernden Zylinder bezüglich einer ”durchschnittlichen” Position der dritten und vierten feuernden Zylinder um etwa 180 Grad phasenverschoben.
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2 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Zylinderkopfs 200 mit einem System für Sekundärlufteinblasung 202. Das System für Sekundärlufteinblasung 202 stellt mit der Verbrennungsabgasströmung 122 in den Abgaskanälen 204, 206, 208 und 210 zu mischende Luft bereit, wobei jeder Kanal einem Zylinder in dem Verbrennungsmotor 100 entspricht (1). Der Abgaskrümmer 120 (1) ist mit einer Oberfläche 212 des Zylinderkopfs 200 gekoppelt, um die Verbrennungsabgasströmung 122 zu der Abgasanlage 106 zu leiten (1). Eine erste Leitung 214 und eine zweite Leitung 216 sind ausgelegt, um Luft in die Abgaskanäle 204, 206, 208 und 210 zu blasen oder zu liefern, um das Verbrennen von brennbaren Gasen in dem Verbrennungsgas 122 während des Inbetriebnahmezeitraums des Motors zu verbessern. Die erste und die zweite Leitung 214, 216 sind jeweils durch Halterungselemente 218 und 220 an dem Zylinderkopf 200 angebracht. Das beispielhafte System für Sekundärlufteinblasung 202 kann als externes System für Sekundärlufteinblasung 202 beschrieben werden, wobei sich die erste und die zweite Leitung 214, 216 wie gezeigt außerhalb des Zylinderkopfs 200 befinden.
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3 ist eine detaillierte Seitenansicht des in 2 gezeigten beispielhaften Systems für Sekundärlufteinblasung 202, das die erste Leitung 214 und die zweite Leitung 216 sowie die Halterungselemente 218 und 220 umfasst. Das Halterungselement 218 umfasst einen Kanal 304 und einen Kanal 306. Das Halterungselement 220 umfasst analog einen Kanal 300 und einen Kanal 302. In einer Ausführungsform stehen die Kanäle 300 und 306 mit der ersten Leitung 214 in Fluidverbindung und sind ausgelegt, um den Abgaskanälen 204 und 210 sekundäre Luft zu liefern. Ferner stehen die Kanäle 302 und 304 mit der zweiten Leitung 216 in Fluidverbindung und sind ausgelegt, um den Abgaskanälen 206 und 208 sekundäre Luft zu liefern. Die erste Leitung 214 und die zweite Leitung 216 sind somit jeweils ausgelegt, um Abgaskanälen, die Verbrennungsgas von phasengleichen Zylindern erhalten, sekundäre Luft zu liefern, um ein Übersprechen zwischen phasenverschobenen Zylindern zu vermeiden, wodurch die Energie von Abgaspulsen aufrechterhalten wird. In anderen Ausführungsformen kann jeder Abgaskanäle (204, 206, 208, 210) jeweils eine dedizierte Sekundärluftleitung und eine dedizierte Strömungssteuerungsvorrichtung aufweisen, wodurch eine präzise Steuerung von Luftströmung zu jedem Zylinder ermöglicht wird. In einer noch anderen Ausführungsform können die erste Leitung 214 und die zweite Leitung 216 jeweils ihre eigenen Strömungssteuerungsvorrichtungen (1, 116) aufweisen, die ausgelegt sind, um Fluidverbindung mit der Luftzufuhr zu steuern (1, 118). Zudem können bei Motoren mit V-Konfiguration die erste Leitung 214 und die zweite Leitung 216 jeweils mit einer separaten Reihe von Zylindern in Fluidverbindung stehen, wodurch Abgasübersprechen reduziert wird. Ein anderer beispielhafter Verbrennungsmotor (1) umfasst eine V-Konfiguration mit einem Paar von Twin-Scroll-Turboladern, wobei jede Leitung (214, 216 und möglicherweise mehr) mit einem oder mehreren Zylindern von jeder Reihe des Verbrennungsmotors 100 in Fluidverbindung stehen kann. Somit sieht die Gruppierung von Abgasströmungen Gaspulse höherer Energie zu dem Turbolader vor. In einer Ausführungsform verbessern die getrennten Pulse höherer Energie die Gesamtleistung eines Twin-Scroll-Turboladers.
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4 ist eine detaillierte Seitenansicht eines beispielhaften Zylinderkopfs 400 und eines Systems für Sekundärlufteinblasung 402. Das System für Sekundärlufteinblasung 402 umfasst eine erste Leitung 404, eine zweite Leitung 406, eine Strömungssteuerungsvorrichtung 408 und eine Luftzufuhr 410. Das beispielhafte System für sekundäre Luft 402 ist ein integriertes System, bei dem die erste Leitung 404 und die zweite Leitung 406 Kanäle umfassen, die durch ein beliebiges geeignetes Mittel, wie etwa Fräsen, maschinelles Bearbeiten oder Gießen, in dem Zylinderkopf 400 ausgebildet sind. Die beispielhafte Strömungssteuerungsvorrichtung 408 kann eine erste Strömungssteuerungsvorrichtung 412 und eine zweite Strömungssteuerungsvorrichtung 414 umfassen. Die erste Strömungssteuerungsvorrichtung 412 und die zweite Strömungssteuerungsvorrichtung 414 sind ausgelegt, um die Strömung von sekundärer Luft von der Luftzufuhr 410 zu der ersten Leitung 404 bzw. der zweiten Leitung 406 zu steuern. Beispielhafte erste und zweite Strömungssteuerungsvorrichtungen 412, 414 umfassen Ventile oder andere Vorrichtungen, die ausgelegt sind, um durch Öffnen, Schließen oder teilweises Zulassen von Strömung durch diese eine Fluidströmung zu regeln. Wie dargestellt ist die Strömungssteuerungsvorrichtung 408 ausgelegt, um eine sekundäre Luftströmung durch die erste Leitung 404 und die zweite Leitung 406 und in die Abgaskanäle 416, 418, 420 und 422 zu steuern. Die erste Leitung 404 steht mit den Abgaskanälen 416 und 418 in Fluidverbindung, während die zweite Leitung mit den Abgaskanälen 420 und 422 in Fluidverbindung steht. Durch selektives Zuführen von sekundärer Luft zu gleichphasigen Auslassöffnungen den Auslassöffnungen mit separaten Leitungen, wird ein Übersprechen zwischen phasenverschobenen Auslassöffnungen reduziert, während die Integrität oder Energie von Abgaspulsen aufrechterhalten wird. Ferner sieht das System für Sekundärlufteinblasung 402 sekundäre Luft vor, um während des Inbetriebnahmezeitraums des Motors brennbare Gase zu verbrennen, wodurch Emissionen verringert werden.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Entsprechungen an Stelle von Elementen derselben treten können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf bestimmte offenbarte Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die Erfindung umfasst alle in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallenden Ausführungsformen.
