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Die Erfindung betrifft ein System zur Sekundärlufteinblasung für eine Brennkraftmaschine sowie eine ein solches System aufweisende Brennkraftmaschine.
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Von Otto-Brennkraftmaschinen ist der Einsatz von Systemen zur Sekundärlufteinblasung bekannt, bei denen nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine Luft, die mittels eines Sekundärluftgebläses aus einem die Brennräume der Brennkraftmaschine mit einem Frischgas versorgenden Frischgastrang abgezweigt wird, in den vor dem Katalysator liegenden Abschnitt des Abgasstrangs eingeblasen wird. Gleichzeitig wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine fett eingestellt. Dies, in Verbindung mit einer erhöhten Abgastemperatur, die durch temporär nach spät verstellte Zündwinkel erreicht wird, führt zu einem Oxidieren der im Abgas enthaltenen unverbrannten Kraftstoffbestandteile in einer exothermen Reaktion innerhalb des Abgassystems. Die exotherme Reaktion beschleunigt das Aufheizen des Katalysators, so dass ein Wirksamwerden des Katalysators nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine regelmäßig auf einen Zeitraum von wenigen Sekunden reduziert werden kann.
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Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators wird die Sekundärlufteinblasung beendet, wozu zum einen das Sekundärluftgebläse abgeschaltet und andererseits ein Sekundärluftventil geschlossen wird, um ein Rückströmen von Abgas über das System zur Sekundärlufteinblasung in den Frischgasstrang zu vermeiden.
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Problematisch kann dabei der Anfall von kondensiertem Fluid, insbesondere Kondenswasser, ausgangsseitig des Sekundärluftventils sein. Dieses entsteht zum einen bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart aufgrund der noch geringen Temperaturen sowie durch ein Abkühlen des ausgangsseitig, d.h. stromab eines Ventilkörpers des Sekundärluftventils sowie in einer das Sekundärluftventil mit dem Abgasstrang verbindenden Leitung enthaltenen Gases nach dem Beenden des Betriebs der Brennkraftmaschine, das dann bei geschlossenem Sekundärluftventil keinem wesentlichen Austausch mehr unterliegt. Die flüchtigen Bestandteile dieses Kondensats verdunstet zwar in einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit Betriebstemperatur aufgrund der dann hohen Temperaturen wieder, dabei können jedoch Rückstände im Sekundärluftventil verbleiben, die dessen Funktion beeinträchtigen können.
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Ein System zur Sekundärlufteinblasung mit einem elektromagnetisch betätigten Sekundärluftventil ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 050 252 A1 bekannt. Bei dem dortigen Sekundärluftventil ist in dem Gehäuse ein kleiner Entlüftungskanal vorgesehen, der den Ventilinnenraum mit der Atmosphäre verbindet und einen in der Ventilkörperbewegung begründeten Unterdruck in dem Ventilinnenraum sowie einen daraus resultierenden Anfall von Kondensat verhindern soll.
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Die
DE 10 2007 031 957 A1 offenbart ebenfalls ein System zur Sekundärlufteinblasung mit einem elektromagnetisch betätigten Sekundärluftventil, das zudem noch mit einem Rückschlagventil gekoppelt ist. Das Rückschlagventil dient dazu, bei geöffnetem Sekundärluftventil ein im schwankenden Abgasdruck begründetes Überströmen von Abgas zum Sekundärluftgebläse zu vermeiden. Dazu ist ein Rückschlagventilkörper federbelastet in einem Hauptventilkörper des Sekundärluftventils gelagert. Beschrieben ist, dass es bei einem solchen Sekundärluftventil vorkommen kann, dass der Rückschlagventilkörper trotz geöffnetem Hauptventilkörper an dem Ventilsitz hängen bleibt und die Durchströmung für die Sekundärluft behindert. Um dies zu vermeiden, ist die den Hauptventilkörper betätigende Ventilstange mit einem Vorsprung versehen, der bei voll geöffnetem Hauptventilkörper ein an dem Ventilsitz festhängenden Rückschlagventilkörper mitnimmt und dadurch löst.
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Bei dem in der
DE 10 2006 021 467 A1 beschriebenen Sekundärluftventil wird ein Anhaften des Rückschlagventilkörpers dadurch vermieden, dass dieser zumindest dann, wenn die dazugehörige Brennkraftmaschine nicht betrieben wird, in einem kleinen Abstand von dem Ventilsitz entfernt positioniert wird.
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In der
DE 102 25 161 A1 ist beschreiben, dass ein Anhaften des Rückschlagventilkörpers an dem Ventilsitz wegen Vereisens dadurch vermieden werden kann, dass im Bereich des Ventilsitzes ein formveränderliches Element vorgesehen wird, dass bei seiner Aktivierung eine bereits entstandene Eisschicht zerstört. Das Element kann dazu als bei Strombeaufschlagung sich ausdehnend oder vibrierend ausgebildet sein.
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In der
EP 2 360 415 A2 ist ein Kondensatablassventil beschrieben, das in einem Dampf führend System zum Einsatz kommen soll. Das Kondensatablassventil beruht auf einem Ventilkörper, der im Normalzustand des Kondensatablassventils mittels eines thermisch längenveränderlichen Elements gegen einen Ventilsitz gedrückt wird. Füllt sich ein das Ventilkörper und das Element umgebender Kondensatsammelraum mit Kondensat, führt dies zu einer Absenkung der Temperatur des Elements, das sich somit verkürzt, wodurch der Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben wird. Das Kondensat kann somit ablaufen. Der Kondensatsammelraum füllt sich dann wieder mit Dampf, dessen im Vergleich zu dem Kondensat höhere Temperatur zu einem Schließen des Kondensatablassventils führt.
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Aus der
JP 2010- 001 758 A ist ein System zur Sekundärlufteinblasung für eine Brennkraftmaschine bekannt. Das System weist einen Sammelraum für Kondensat auf, der stromabwärts eines Sekundärluftventils angeordnet ist. Zudem Sammelraum führt eine Leitung, an deren tiefster Stelle der Sammelraum angeordnet ist. Kondensat kann sich so am tiefsten Punkt dieser Leitung sammeln und in den Sammelraum ablaufen.
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Aus der
US 2006/ 0 021 336 A1 ist Gegenstand zur Sekundärlufteinblasung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem anfallendes Kondensat in einem Rohr einer Sekundärlufteinblasung gesammelt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich der Funktionssicherheit verbessertes System zur Sekundärlufteinblasung für eine Brennkraftmaschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zur Sekundärlufteinblasung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Eine ein solches System umfassende Brennkraftmaschine ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Funktionsbeeinträchtigung bezüglich der Bewegung des Ventilkörpers des Sekundärluftsystems infolge von nach dem Schließen des Sekundärluftventils anfallendem Kondensat dadurch zu vermeiden, dass ein Ansammeln des Kondensats im Bereich des Ventilkörpers vermieden wird.
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Dazu ist bei einem System zur Sekundärlufteinblasung für eine Brennkraftmaschine mit einem Sekundärluftgebläse und einem Sekundärluftventil, das einen Ventilkörper aufweist, vorgesehen, dass ausgangsseitig (bezogen auf die Strömung des Gases durch das Sekundärluftventil im Betrieb des Systems) des Ventilkörpers, insbesondere in oder an einem Auslassrohr, ein Sammelraum für Kondensat vorgesehen ist.
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Als Sammelraum wird eine Vertiefung verstanden, in der sich eine relevante Menge an Kondensat in der Einbaulage des Sekundärluftventils schwerkraftbedingt ansammeln kann und aus dem es im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs nicht oder zumindest nicht soweit herausfließen kann, dass es den Ventilkörper oder einen Abschnitt eines Gehäuses des Sekundärluftventils, in dem der Ventilkörper zumindest temporär angeordnet ist, erreicht.
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In dem Sammelraum kann sich Kondensat sammeln, ohne dass es die Funktion des Sekundärluftventils beeinträchtigt. In dem Sammelraum kann das Kondensat dann gelagert werden, bis es in einem andauernden Betrieb der Brennkraftmaschine mit erreichter Betriebstemperatur wieder verdunstet. Möglicherweise dabei in dem Kondensatsammelraum verbleibende Rückstände beeinträchtigen dabei die Funktion des Sekundärluftventils nicht.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Frischgastrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zuführbar ist, einen Abgasstrang, über den Abgas von dem Verbrennungsmotor abführbar ist, sowie ein erfindungsgemäßes System zur Sekundärlufteinblasung, wobei das Sekundärluftgebläse ausgangsseitig mit dem Abgasstrang und eingangsseitig mit dem Frischgasstrang verbunden ist und das Sekundärluftventil zwischen dem Sekundärluftgebläse und dem Abgasstrang angeordnet ist.
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Eine konstruktiv einfache Integration des Sammelraums in das erfindungsgemäße System kann vorsehen, dass sich ein Auslassrohr des Sekundärluftventils von dem Ventilkörper erstreckt, wobei in einem Endbereich des Auslassrohrs eine Auslassöffnung angeordnet ist. Der Sammelraum kann dabei außenseitig des Auslassrohrs ausgebildet sein. Dabei kann die Wandung, die den Sammelraum ausbildet, Teil eines Gehäuses des Sekundärluftventils oder einer anderen Komponente des Systems bzw. der Brennkraftmaschine sein. Es ist vorgesehen, dass der Sammelraum zumindest teilweise in einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine und in einem Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors ausgebildet ist, wenn das Sekundärluftventil entsprechend mit dem Verbrennungsmotor bzw. dem Zylinderkurbelgehäuse verbunden ist. Dabei kann das Sekundärluftventil bzw. ein Teil eines Gehäuses davon als Deckel für den Sammelraum dienen. Die in der Regel im Betrieb der Brennkraftmaschine schnelle Erwärmung des Zylinderkurbelgehäuses kann das Verdunsten des Kondensats beschleunigen.
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Ein Vordringen von Kondensat bis zum Ventilkörper kann besonders sicher vermieden werden, wenn, wie vorgesehen ist, eine Auslassöffnung des Sekundärluftventils in dessen Einbaulage nach oben (bezogen auf die Schwerkraftrichtung) ausgerichtet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Auslassrohr an dem von dem Ventilkörper beabstandeten Ende stirnseitig verschlossen ist und eine radial in dem Auslassrohr angeordnete Auslassöffnung vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1: einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
- 2: das Sekundärluftventil der in der 1 gezeigten Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
- 3: einen Vertikalschnitt durch das Sekundärluftventil und den angrenzenden Abschnitt eines Verbrennungsmotors der in der 1 gezeigten Brennkraftmaschine;
- 4: einen Horizontalschnitt durch das Sekundärluftventil und den angrenzenden Abschnitt eines Verbrennungsmotors der in der 1 gezeigten Brennkraftmaschine; und
- 5: eine Vorderansicht des Abschnitts des Verbrennungsmotors, an dem das Sekundärluftventil befestigt wird, der in der 1 gezeigten Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierzylindriger Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor umfasst ein Zylinderkurbelgehäuse 10 und einen damit verbundenen Zylinderkopf 12. Diese bilden die vier Zylinder aus, in denen jeweils ein Kolben beweglich geführt ist. Den Zylindern wird über einen nur teilweise dargestellten Frischgasstrang 14 Frischgas zugeführt. Hierbei kann es sich insbesondere um aus der Umgebung angesaugte Luft handeln, die in von den Zylindern ausgebildeten Brennräumen mit direkt eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird. Das dabei entstehende Abgas wird über einen nur teilweise dargestellten Abgasstrang 16 abgeführt.
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In den Abgasstrang 16 ist zumindest ein Katalysator 18 integriert, dessen Wirksamkeit von dem Erreichen eines Betriebstemperaturbereichs abhängig ist. Um diesen Betriebstemperaturbereich nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine möglichst schnell zu erreichen, ist die Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen System zur Sekundärlufteinblasung versehen. Dieses System umfasst Rohrleitungen, die den Frischgasstrang 14 mit dem Abgasstrang 16 (stromauf des Katalysators 18) unter Umgehung der Zylinder verbinden. Dadurch kann nach dem Kaltstart für einen definierten Zeitraum eine zusätzliche Menge an Luft in den Abgasstrang 16 eingebracht werden, die dort mit nicht verbrannten Kraftstoffbestandteilen exotherm reagiert und dadurch ein schnelles Aufheizen des Katalysators 18 bewirkt. Zur Förderung der Luft aus dem Frischgasstrang 14 in den Abgasstrang 16 gegen den Abgasgegendruck ist ein Sekundärluftgebläse 20 erforderlich, das in die Rohrleitungen des Systems integriert ist. Zudem ist ein Sekundärluftventil 22 vorgesehen, durch das das deaktivierte System zur Sekundärlufteinblasung in einem zwischen dem Sekundärluftgebläse 20 und dem Abgasstrang 18 liegenden Abschnitt der Rohrleitungen verschließbar ist. Dadurch wird vermieden, dass bei deaktiviertem Sekundärluftgebläse 20 Abgas über das System in das Sekundärluftgebläse 20 und den Frischgasstrang 14 überströmt.
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Das Sekundärluftventil 22 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiels mittels einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine ansteuerbar ausgebildet, was ermöglicht, das Öffnen und Schließen unabhängig von den Druckverhältnissen vorzunehmen. Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Sekundärluftventil 22 noch während des Betriebs des Sekundärluftgebläses 20 zu verschließen. Selbstverständlich kann das Sekundärluftventil 22 aber auch druckgesteuert, z.B. als Rückschlagventil ausgebildet sein.
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Das Sekundärluftventil 22 weist einen Funktionsteil auf, der den Ventilkörper 24, den Ventilsitz 26 sowie die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 28 für den Ventilkörper 24 umfasst. Ein Gehäuse 30 des Funktionsteils ist mit einem Auslassgehäuseteil 32 des Sekundärluftventils 22 verbunden. Dieses bildet ein Auslassrohr 34, in dem der Ventilkörper 24 positioniert ist, sowie einen Verbindungsflansch 36 aus, der sowohl zur Verbindung mit dem Gehäuse 30 des Funktionsteils als auch mit einem Verbindungsabschnitt des Zylinderkurbelgehäuses 10 des Verbrennungsmotors dient. Das Auslassrohr 34 erstreckt sich in einen von dem Zylinderkurbelgehäuse 10 ausgebildeten Aufnahmeraum 38, dessen unterer (bezogen auf die Schwerkraftrichtung in der Einbaulage der Brennkraftmaschine) Teil als Sammelraum für Kondensat (vgl. Kreuzschraffur in den 3 und 5) dient. In dem Sammelraum kann sich Flüssigkeit ansammeln, die insbesondere bei geschlossenem Sekundärluftventil 22 infolge einer Abkühlung von Gas, das sich in dem Aufnahmeraum 38 und einem den Aufnahmeraum 38 mit dem Abgasstrang verbindenden, in dem Zylinderkurbelgehäuse 10 und dem Zylinderkopf ausgebildeten Kanal befindet, auskondensiert.
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Um die Grenzfüllhöhe (vgl. gestrichelte Linie in der 3), bei der ein Überlaufen von in dem Sammelraum aufgenommenem Kondensat in das Auslassrohr 34 und somit ein zu vermeidendes Eindringen von Kondensat in das Sekundärluftventil 22 erfolgt, möglichst hoch zu legen, weist das Auslassrohr 34 einen gekrümmt nach oben zulaufend verlaufendes, vom Ventilkörper 24 beabstandetes Ende auf, das in einer seitlich beziehungsweise radial (bezüglich einer Längsachse des weitgehend zylindrischen Auslassrohrs 34) und nach oben ausgerichteten Auslassöffnung 40 mündet.
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Um ein möglichst großes Volumen für den Sammelraum zu erzielen, umfasst der Aufnahmeraum 38 neben dem das Auslassrohr 34 ringförmig umgebenden Abschnitt noch ein Zusatzvolumen 42, das schräg unterhalb des Auslassrohrs 34 angeordnet ist (vgl. 5).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkurbelgehäuse
- 12
- Zylinderkopf
- 14
- Frischgasstrang
- 16
- Abgasstrang
- 18
- Katalysator
- 20
- Sekundärluftgebläse
- 22
- Sekundärluftventil
- 24
- Ventilkörper
- 26
- Ventilsitz
- 28
- Betätigungsvorrichtung
- 30
- Gehäuse
- 32
- Auslassgehäuseteil
- 34
- Auslassrohr
- 36
- Verbindungsflansch
- 38
- Aufnahmeraum
- 40
- Auslassöffnung
- 42
- Zusatzvolumen
