DE102013206690A1

DE102013206690A1 - Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und Abgasrückführung und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013206690A1
Application number: DE201310206690
Authority: DE
Inventors: Guenther Bartsch; Klaus Moritz Springer; Peter Bohn
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-16
Also published as: CN203939586U; US9194281B2; RU152093U1; TR201403864A2; US20140305122A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf (1) mit mindestens einem Zylinder (2), bei der – jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (4) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt, – ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem vorgesehen ist, und – eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkraftmaschine. Es soll eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich des Abführens von Kondensat überwunden werden. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – mindestens eine Ansaugleitung (4) mindestens einen Kanal (5) umfasst, der einen Anfang und ein Ende aufweist und dem Führen von Kondensat dient, wobei das Ende stromabwärts des Anfangs angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem vorgesehen ist, und
– eine Abgasrückführung vorgesehen ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, bzw. Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird, sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt und dadurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Nichtsdestotrotz können auch mechanische Lader alternativ zu oder in Kombination mit einer Abgasturboaufladung zum Einsatz kommen.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Häufig wird auch, wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Infolge der Kühlung der Ladeluft können sich aber auch Probleme ergeben. Im Rahmen der Kühlung können zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. In der Regel wird das ausgeschiedene Kondensat dabei nicht kontinuierlich von der Ladeluftströmung infolge Kinetik in kleinsten Mengen abgeführt und dem mindestens einen Zylinder zugeführt. Vielmehr sammelt sich Kondensat im Ansaugsystem bzw. im Ladeluftkühler und wird unvorhersehbar und in größeren Mengen schlagartig, beispielweise bei Querbeschleunigungen infolge Kurvenfahrt, einer Steigung oder einem Stoß, aus dem Ladeluftkühler bzw. aus dem Ansaugsystem in den mindestens einen Zylinder eingebracht. Letzteres wird auch als Wasserschlag bezeichnet, der nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung von Bauteilen stromabwärts des Ladeluftkühlers führen kann.
In Kombination mit einer Abgasrückführung verschärft sich die vorstehend beschriebene Problematik, insbesondere mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft, insbesondere des im Abgas enthaltenen Wassers, zwangsläufig zunehmen.
Nach dem Stand der Technik wird daher bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge begrenzt, um die auskondensierte Wassermenge zu mindern bzw. das Auskondensieren vollständig zu unterbinden. Diese Begrenzung konkurriert mit den hohen Abgasrückführraten, die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlich sind.
Die erforderlichen hohen Rückführraten können gemäß dem Stand der Technik bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen nur mittels Hochdruck-AGR erzielt werden, bei der das rückzuführende Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts des Verdichters bzw. des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem eingebracht wird.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR steht das rückgeführte, stromaufwärts der Turbine entnommene Abgas aber nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom weiter ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Ladedruck bzw. einem kleineren Ladeluftstrom.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die insbesondere hinsichtlich der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem bzw. des Abführens dieses Kondensats verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem vorgesehen ist, und
– eine Abgasrückführung vorgesehen ist,

– mindestens eine Ansaugleitung mindestens einen Kanal umfasst, der einen Anfang und ein Ende aufweist und dem Führen von Kondensat dient, wobei das Ende stromabwärts des Anfangs angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mindestens eine Ansaugleitung mit mindestens einem Kanal ausgestattet, mit dem eventuell auskondensierte Flüssigkeit in Richtung des mindestens einen Zylinders transportiert werden kann, ohne dass die Flüssigkeit auf dem Weg zum Zylinder einen Höhenunterschied überwinden muss. Die geodätische Höhe im Ansaugsystem nimmt kontinuierlich ab, so dass in Strömungsrichtung ein durchgehendes Gefälle vorliegt. Damit wird einer im Rahmen der Kühlung auskondensierten Flüssigkeit die Möglichkeit genommen, sich im Ansaugsystem zwischen Kühler und Zylinder zu sammeln.
Die dem mindestens einen Zylinder zugeführten kleinen Flüssigkeitsmengen sind für einen störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine unschädlich. Das Kondensat nimmt am Verbrennungsprozess teil und senkt infolge der Verdampfungsenthalpie sogar die Verbrennungstemperatur, wodurch die Bildung der Stickoxide in vorteilhafter Weise beeinflusst, nämlich gemindert wird.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht auch darin, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine keine Begrenzung der mittels Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge erfordert, da ein Auskondensieren nicht grundsätzlich unterbunden werden muss bzw. die auskondensierte Wassermenge nicht rigoros zu limitieren ist. Dies ermöglicht es, wesentlich größere Abgasmengen mit einer Niederdruck-AGR zurückzuführen. Insofern könnte eine Niederdruck-AGR bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in wesentlich größerem Umfang zu den hohen Abgasrückführraten, die für eine Reduzierung der Stickoxidemissionen erforderlich sind, beitragen als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.
Darüber hinaus können die Kennfeldbereiche, in denen eine Abgasrückführung ausschließlich unter Verwendung einer Niederdruck-AGR erfolgt, ausgedehnt werden. Dies ist insofern vorteilhaft, da dann in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine auf eine Hochdruck-AGR verzichtet werden kann, weshalb auch die damit verbundenen Nachteile entfallen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die insbesondere hinsichtlich der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem bzw. des Abführens dieses Kondensats verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal eine offene Rinne darstellt. Der Kanal ist vorliegend offen und bildet einen Teil der Innenwandung der dazugehörigen Ansaugleitung.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal eine rundum geschlossene Leitung darstellt. Bei dem Kanal handelt es sich um eine eigenständige Leitung, die an ihrem Anfang von der Ansaugleitung abzweigt und stromabwärts an ihrem Ende wieder in die Ansaugleitung einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal geradlinig ausgebildet ist. Dann schneidet der mindestens eine Kanal die in der Regel gekrümmt verlaufende Ansaugleitung in der Art einer Sekante. Der geradlinige Verlauf des mindestens einen Kanals erleichtert zudem die Ausbildung des Kanals, beispielweise mittels spanabhebender Verfahren wie Bohren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal in einem Winkel α zur Einlassöffnung hin geneigt ausgebildet ist, um das Abführen von Kondensat aus dem Ansaugsystem und Einleiten des Kondensats in die Zylinder zu unterstützen, d. h. zu erleichtern. Der Winkel α bzw. der geneigte Verlauf des Kanals bezieht sich dabei auf die Einbaulage des Zylinderkopfes, d. h. der dazugehörigen Brennkraftmaschine im Motorraum.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal im Zylinderkopf angeordnet ist. Diese Ausführungsform gestattet die integrale Ausbildung des mindestens einen Kanals mit dem Zylinderkopf, beispielsweise im Gießverfahren oder durch Bohren im Rahmen einer Nachbearbeitung des Zylinderkopfes.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem einen Einlasskrümmer umfasst, welcher ein Plenum aufweist, von dem aus die mindestens eine Ansaugleitung zu der mindestens einen Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders führt.
Der Einlasskrümmer selbst kann mittig, außermittig oder aber von der Seite aus mit Ladeluft versorgt werden. Bei einer seitlichen Einspeisung der Ladeluft in den Einlasskrümmer kann sich der Krümmer zumindest bei Reihenmotoren in Strömungsrichtung verjüngen, d. h. im Querschnitt abnehmen. Gegebenenfalls ist es dabei vorteilhaft, nur die mindestens eine Ansaugleitung des ersten Zylinders mit einem erfindungsgemäßen Kanal zu versehen, so dass das gesamte Kondensat, d. h. auch das erst stromabwärts des ersten Zylinders ausgeschiedene Kondensat, in den ersten Zylinder eingeleitet wird, wozu auch ein zusätzlicher Sammelkanal im Krümmer vorgesehen werden kann.
Vorteilhaft können grundsätzlich Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen nicht sämtliche Ansaugleitungen mit einem erfindungsgemäßen Kanal versehen sind.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen nicht sämtliche Zylinder über mindestens eine Ansaugleitung verfügen, die mit einem erfindungsgemäßen Kanal versehen ist.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen jeder Zylinder nur über eine Ansaugleitung verfügt, die mit einem erfindungsgemäßen Kanal versehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler den Einlasskrümmer zumindest mit ausbildet.
Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise und kurze Wege im Ansaugsystem. Unterstützt werden kann dieses Konzept dadurch, dass das Ansaugsystem unter Verwendung integraler Bauteile ausgebildet wird.
Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler und der Einlasskrümmer ein monolithisches Bauteil bilden, haben eine Vielzahl von Vorteilen. So entfallen das Verbinden der Bauteile im Rahmen der Montage und damit die Verbindungselemente sowie die Problematik einer möglichen Leckage an der Verbindungsstelle. Dies ist auch mit einer Gewichtsersparnis verbunden. Die Montagekosten und Bereitstellungskosten verringern sich.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der Ladeluftkühler und der Einlasskrümmer eine aus mindestens zwei Bauteilen aufgebaute Baugruppe bilden.
Ein modularer Aufbau, bei dem mindestens zwei Bauteile miteinander zu verbinden sind, hat den grundsätzlichen Vorteil, dass die einzelnen Bauteile, insbesondere der Ladeluftkühler, nach dem Baukastenprinzip in unterschiedlichen Ausführungsformen Verwendung finden. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht in der Regel die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Eintritt in den Ladeluftkühler geodätisch höher als der Austritt aus dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Diese Ausführungsform des Ladeluftkühlers stellt sicher, dass sich kein Kondensat im Kühler ansammelt, nur weil der Austritt eine größere geodätisch Höhe aufweist als der Eintritt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler oberhalb des mindestens einen Zylinders zwischen der Auslassseite und der Einlassseite der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem einen Ventiltrieb aufnehmenden Zylinderkopf ist der Ladeluftkühler dabei vorzugsweise oberhalb des Ventiltriebs zwischen der Auslassseite und Einlassseite angeordnet. Dies führt zu einer sehr kompakten Bauweise der Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Die Wegstrecke zwischen Verdichter und Einlassöffnung am Zylinder kann sehr verkürzt werden. Eine kurze Wegstrecke im Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters gewährleistet ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers und verringert den Druckverlust in der Ladeluftströmung bis zum Eintritt in den Zylinder. Unnötig lange Leitungen entfallen, was das Gewicht und den Raumbedarf des Ansaugsystems weiter verringert. Eine kurze Wegstrecke wirkt sich auch vorteilhaft auf das Geräuschverhalten aus.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler an der geodätisch höchsten Stelle im Ansaugsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die geodätische Höhe im Ansaugsystem ausgehend vom Ladeluftkühler in Strömungsrichtung via dem mindestens einen Kanal bis hin zu der mindestens einen Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders kontinuierlich abnimmt.
Diese Ausführungsform stellt sicher, dass die Ladeluftströmung ausgehend vom Ladeluftkühler auf dem gesamten Weg bis hin zu dem mindestens einen Zylinder keine Steigung zu überwinden hat, d. h. in Strömungsrichtung ein durchgehendes Gefälle vorliegt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie unmittelbar von der Brennkraftmaschine bezieht, die verfügbare Leistung also mindert und damit den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine zwecks Aufladung mit mindestens einem Abgasturbolader ausgestattet. Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen werden; gegebenenfalls auch in Kombination mit einem mechanischen Lader.
Der Grund ist darin zu sehen, dass bei Einsatz eines einzelnen Abgasturboladers ein spürbarer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl zu beobachten ist. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes entgegengewirkt werden, was aber eine Abgasabblasung bei höheren Drehzahlen erfordert mit Nachteilen für das Aufladeverhalten in diesem Drehzahlbereich.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird daher häufig durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader zu verbessern versucht, beispielsweise mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel geschaltete Turbolader mit entsprechend kleinen Turbinenquerschnitten verbessert werden, die sukzessive zugeschaltet werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen ist. Dann wird dem Ladeluftkühler die im Verdichter komprimierte und infolge dieser Kompression erwärmte Ladeluft zugeführt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Rückführleitung umfasst, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, bei der Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft stromabwärts des Verdichters im Ladeluftkühler gekühlt wird. Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wenn das Abgas vorher stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind dann nicht zu befürchten.
Probleme infolge der Kühlung der komprimierten Ladeluft im Ladeluftkühler können sich nicht ergeben, da die Ansaugleitung erfindungsgemäß mit einem Kanal ausgestattet ist, der dem Führen und Abführen von Kondensat dient und einem ungewollten Ansammeln von Kondensat im Ansaugsystem entgegen wirkt. Eine Begrenzung der Niederdruck-AGR, wie im Stand der Technik notwendig, entfällt. Die Vorteile der Niederdruck-AGR können somit in vollem Umfang genutzt werden.
Vorteilhaft ist es, in der Rückführleitung ein Absperrelement anzuordnen, das als Niederdruck-AGR-Ventil fungiert und der Einstellung der Rückführrate, d. h. der via Niederdruck-AGR zurückgeführten Abgasmenge, dient.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen das Niederdruck-AGR-Ventil an der Stelle angeordnet wird, an der die Rückführleitung in das Ansaugsystem einmündet. Vorzugsweise wird das Ventil dann als Kombiventil ausgebildet, mit dem gleichzeitig und aufeinander abgestimmt die rückgeführte Abgasmenge und die angesaugte Frischluftmenge bemessen werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der Niederdruck-AGR ein zweiter Kühler vorgesehen ist. Dieser zweite Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom bevor das Abgas stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt wird und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung wird hierdurch weiter gesenkt, weshalb auch dieser Kühler zu einer besseren Füllung beiträgt.
Vorzugsweise ist eine Bypassleitung vorgesehen, die den zweiten Kühler überbrückt und mit der das mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgas bei Umgehung des zweiten Kühlers in das Ansaugsystem eingeleitet werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Das Vorsehen einer Hochdruck-AGR kann erforderlich werden bzw. hilfreich sein, um sehr hohe Rückführraten zu realisieren, auch wenn die Kondensatproblematik aufgrund der erfindungsgemäßen Ausstattung der Ansaugleitung mit einem Kanal zu keiner Limitierung der Niederdruck-AGR mehr führt. Zu berücksichtigen ist nämlich, dass die Rückführung von Abgas aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung eine Druckdifferenz, d. h. ein Druckgefälle, zwischen der Auslassseite und der Einlassseite erfordert. Zur Erzielung der geforderten hohen Abgasrückführraten ist darüber hinaus ein hohes Druckgefälle erforderlich.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung stromabwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Das mittels Hochdruck-AGR rückgeführte Abgas ist in der Regel nicht nachbehandelt. Vielmehr handelt es sich um die Rohemissionen der Brennkraftmaschine, weshalb das Abgas vorzugsweise nicht durch den Ladeluftkühler hindurchgeführt werden sollte, um Verschmutzungen des Kühlers zu vermeiden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler flüssigkeitsgekühlt ist.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung nach dem Prinzip eines Wärmetauschers in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die durch den Ladeluftkühler geführte Ladeluft mittels einer Luftströmung gekühlt, die aus dem Fahrtwind resultiert und/oder durch ein Gebläse erzeugt wird. Die Flüssigkeitskühlung erfordert hingegen die Ausbildung eines Kühlkreislaufs, gegebenenfalls unter Verwendung eines bereits bestehenden Kreislaufes, beispielsweise der Motorkühlung bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert und den Ladeluftkühler durchströmt. Die von der Ladeluft im Kühler an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird abgeführt und dem Kühlmittel in einem anderen Wärmetauscher wieder entzogen.
Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität einer Flüssigkeit gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grund ist es besonders bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung vorteilhaft, wenn der Ladeluftkühler flüssigkeitsgekühlt ist, da die abzuführende Wärmemenge vergleichsweise groß sein kann.
Bei Ausstattung der Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine feste Turbinengeometrie aufweist. Gegenüber einer variablen Geometrie vereinfacht dies den Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. des Laders mittels Motorsteuerung erheblich. Zudem ergeben sich durch die einfachere Bauweise der Turbine Kostenvorteile hinsichtlich des Abgasturboladers.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Herstellen einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine Kanal integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet wird.
Dabei kann der mindestens eine Kanal zumindest seine Grundform zusammen mit dem Zylinderkopfrohling im Gießverfahren erhalten oder aber durch Nachbearbeiten des Zylinderkopfes ausgebildet werden. Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung den Zylinderkopf einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Darstellung den Zylinderkopf 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, der über drei in Reihe angeordnete Zylinder 2 verfügt. Folglich handelt es sich um den Zylinderkopf 1 eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.
Jeder Zylinder 2 weist zwei Einlassöffnungen auf und wird über ein auf der Einlassseite 3 des Kopfes 1 vorgesehenes Ansaugsystem mit Ladeluft versorgt. Das Ansaugsystem umfasst einen Einlasskrümmer, der an einem auf der Ansaugseite 3 vorgesehenen Anschlussflansch 6 des Zylinderkopfes 1 befestigt wird und von dem aus Ansaugleitungen 4 zu den Einlassöffnungen der Zylinder 2 führen.
Die Ansaugleitungen 4 sind jeweils mit einem Kanal 5 versehen, d. h. ausgestattet, wobei die Kanäle 5 bei der in 1 dargestellten Ausführungsform als offene Rinnen 5a und integral im Zylinderkopf 1 ausgebildet sind. Die Kanäle 5 dienen dem Führen und Einleiten von Kondensat in die Zylinder 2. Dabei schneiden die geradlinig ausgebildeten Kanäle 5 die gekrümmten Ansaugleitungen 4 in der Art einer Sekante.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Zylinder
3: Ansaugseite, Einlassseite
4: Ansaugleitung
5: Kanal
5a: offene Rinne
6: Anschlussflansch
α: Neigung des Kanals

Claims

Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf (1) mit mindestens einem Zylinder (2), bei der – jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (4) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt, – ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem vorgesehen ist, und – eine Abgasrückführung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Ansaugleitung (4) mindestens einen Kanal (5) umfasst, der einen Anfang und ein Ende aufweist und dem Führen von Kondensat dient, wobei das Ende stromabwärts des Anfangs angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (5) eine offene Rinne (5a) darstellt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (5) eine rundum geschlossene Leitung darstellt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (5) geradlinig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (5) in einem Winkel α zur Einlassöffnung hin geneigt ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (5) im Zylinderkopf (1) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem einen Einlasskrümmer umfasst, welcher ein Plenum aufweist, von dem aus die mindestens eine Ansaugleitung (4) zu der mindestens einen Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders (2) führt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler den Einlasskrümmer zumindest mit ausbildet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler an der geodätisch höchsten Stelle im Ansaugsystem angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geodätische Höhe im Ansaugsystem ausgehend vom Ladeluftkühler in Strömungsrichtung via dem mindestens einen Kanal (5) bis hin zu der mindestens einen Einlassöffnung des mindestens einen Zylinders (2) kontinuierlich abnimmt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Rückführleitung umfasst, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung stromabwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet.
Verfahren zum Herstellen einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal integral mit dem Zylinderkopf (1) ausgebildet wird.