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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer in den Frischgasstrang integrierten Regelventileinheit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappeneinheit.
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Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt werden, sind vielfach mit einer Aufladung durch Ladeeinrichtungen, beispielsweise Abgasturbolader, ausgestattet. Durch die Aufladung wird der Druck des einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases erhöht, wodurch sich die Füllung der Brennräume, damit die Menge des pro Arbeitstakt umsetzbaren Kraftstoffs und folglich die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht. Zusätzlich kann durch eine Aufladung der Wirkungsgrad insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine erhöht werden.
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Durch die Verdichtung des Frischgases erhöht sich dessen Temperatur, was infolge der damit verbundenen Zunahme des spezifischen Volumens den durch die Aufladung erzielten Füllungsgewinn teilweise wieder rückgängig machen würde. Um dies zu vermeiden, werden die meisten aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem Ladeluftkühler versehen, der stromab des Verdichters in den Frischgasstrang integriert ist.
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Ladeluftkühler werden regelmäßig direkt hinter dem Verdichter angeordnet, um die Kühlung des Frischgases vorzunehmen, bevor dieses weitere Funktionselemente des Frischgasstrangs, wie z.B. eine Drosselklappeneinheit durchströmt. Dadurch können diese Funktionselemente vor einer zu großen Wärmebelastung geschützt werden. Eine solche Anordnung kann jedoch hinsichtlich des erforderlichen Bauraums nachteilig sein.
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Eine hinsichtlich des Bauraumbedarfs vorteilhafte Integration eines Ladeluftkühlers ist aus der
DE 10 2012 009 288 A1 bekannt. Dort ist der Ladeluftkühler platzsparend in das Saugrohr und somit direkt vor der Brennkraftmaschine in den Frischgasstrang integriert. Nachteilig daran kann sein, dass der Ladeluftkühler stromab weiterer Funktionselemente des Frischgasstrangs, wie z.B. einer Drosselklappeneinheit angeordnet ist. Diese Funktionselemente müssen dann gegebenenfalls an die höhere Wärmebelastung strukturell angepasst sein, was mit höheren Fertigungskosten verbunden sein kann.
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Die
EP 1 126 154 B1 offenbart eine Drosselklappeneinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, einer in einem von dem Gehäuse ausgebildeten Strömungskanal angeordneten Drosselklappe sowie einer Stellvorrichtung zur Betätigung der Drosselklappe. In das Gehäuse sind Medienkanäle für eine Heizflüssigkeit integriert. Dies ermöglicht ein Heizen der Drosselklappeinheit, um ein Einfrieren bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen zu vermeiden.
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Aus der
EP 0 908 615 A2 ist eine Abgasrückführventileinheit bekannt, deren Gehäuse einen Kühlmittelkanal aufweist. Mittels des Kühlmittels soll das durch die Abgasrückführventileinheit strömende Abgas gekühlt werden. Dabei erfolgt die Kühlung vor dem Abgasrückführventil, um dessen Wärmebelastung gering zu halten.
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Eine dazu ähnliche Abgasrückführventileinheit ist zudem aus der
DE 195 21 573 A1 bekannt. Dort sind in dem von dem Gehäuse der Abgasrückführventileinheit ausgebildeten Strömungskanal für das Abgas zudem Kühlrippen integriert, um die Kühlleistung zu erhöhen. Durch das Kühlen des Abgases soll die Dauerhaltbarkeit des Abgasrückführventils erhöht werden.
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Die
EP 0 651 521 B1 offenbart ein System zur Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine. Die aus dem Kurbelgehäuse abgehende Entlüftungsleitung mündet direkt im Bereich der Drosselklappe des Frischgastrangs der Brennkraftmaschine. Das die Drosselklappe umgebende, den Strömungskanal für das Frischgas ausbildende Gehäuse weist einen umlaufenden Kühlmittelkanal auf, durch den bei sehr niedrigen Außentemperaturen das (dann wärmere) Kühlmittel des Verbrennungsmotors geleitet wird, um eine Vereisung der Mündung der Entlüftungsleitung zu vermeiden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Integration einer Regelventileinheit, zur Regelung der Frischgaszufuhr, wie beispielsweise einer Drosselklappe, in einen Frischgasstrang einer Brennkraftmaschine anzugeben. Insbesondere sollte eine Möglichkeit angegeben werden, die stromab des Verdichters in einen Frischgasstrang integrierten Funktionselemente möglichst flexible anordnen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgastrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zuführbar ist, und einer in den Frischgasstrang integrierten Regelventileinheit, insbesondere zur Regelung der Frischgaszufuhr, bei der es sich insbesondere um eine Drosselklappeneinheit handeln kann und die ein Gehäuse, das einen Strömungskanal für das Frischgas ausbildet, und ein in dem Strömungskanal angeordnetes Ventilelement umfasst, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Regelventileinheit aktiv gekühlt wird und dazu insbesondere einen in das Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist.
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Die Regelventileinheit ist insbesondere zur Regelung des Volumenstroms des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases ausgeführt. Mit anderen Worten, die Regelventileinheit ist bevorzugt derart im Frischgasstrang integriert, dass die Ventileinheit auf die Menge des dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischgases wirkt, indem direkt die Menge des zugeführten Frischgases regelbar beeinflusst wird. Die Regelventileinheit kann insbesondere eine von einer Abgasrückführungsventileinheit verschiedene Regelventileinheit sein.
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Durch die aktive Kühlung der Regelventileinheit wird eine flexible Anordnung der Regelventileinheit ermöglicht, die bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine insbesondere auch stromauf des Ladeluftkühlers vorgesehen sein kann. Demnach ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ein stromauf der Regelventileinheit in den Frischgasstrang integrierter Verdichter und ein stromab der Regelventileinheit in den Frischgasstrang (insbesondere in ein Saugrohr des Frischgasstrangs) integrierter Ladeluftkühler vorgesehen.
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Der zusätzliche konstruktive Aufwand für die aktive Kühlung der Regelventileinheit kann gering und insbesondere geringer als derjenige sein, der mit einer temperaturfesten Auslegung der Regelventileinheit verbunden wäre. Dies kann insbesondere gelten, wenn, wie bevorzugt vorgesehen, die Regelventileinheit in einen bereits bestehenden Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist und das Kühlmedium dieses Kühlkreislaufs somit auch durch den Kühlkanal der Regelventileinheit strömt. Hierbei kann es sich insbesondere um den Motorkühlkreislauf handeln.
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Ein weiterer Vorteil, der mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine erzielt werden kann, liegt in einer aktiven Kühlung des durch die Regelventileinheit strömenden Frischgases. In der bevorzugten Anwendung bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann die Regelventileinheit somit als Ladeluftkühler dienen.
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Unter Umständen kann so auf einen separaten Ladeluftkühler verzichtet werden, was Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten sowie des erforderlichen Bauraums für die Brennkraftmaschine bringen kann. Dies gilt insbesondere, wenn mehr als eine erfindungsgemäß ausgestaltete Regelventileinheit in den Frischgasstrang integriert ist.
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Alternativ kann die das Frischgas aktiv kühlende Regelventileinheit auch in Kombination mit einem herkömmlichen Ladeluftkühler eingesetzt werden, wodurch dieser gegebenenfalls kleiner dimensioniert und somit flexibler positioniert werden kann.
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Um einen Wärmeübergang von dem Frischgas auf die Regelventileinheit zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass die Wandung des Strömungskanals derart ausgebildet ist, dass diese eine möglichst große Fläche aufweist. Insbesondere können in den Strömungskanal ragende Kühlrippen vorgesehen sein. Diese sind vorzugsweise in Strömungsrichtung ausgerichtet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand und damit Druckverlust in der Frischgasströmung zu erzeugen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung;
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2: eine Regelventileinheit für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
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3: die Regelventileinheit der 2 in einer Draufsicht;
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4: einen Querschnitt durch die Regelventileinheit der 3 entlang der Schnittebene IV-IV in der 3; und
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5: einen Querschnitt durch die Regelventileinheit der 3 entlang der Schnittebene V-V in der 3;
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Die 1 zeigt in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dort sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung relevanten Elemente der Brennkraftmaschine dargestellt.
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Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der beispielhaft als dreizylindriger Otto-Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Über einen Frischgasstrang wird den von dem Verbrennungsmotor 10 ausgebildeten Zylindern 12 Frischgas zugeführt, das mit beispielsweise direkt in die Zylinder 12 eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird. Das dabei entstehende Abgas wird über einen Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 10 abgeführt.
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Die Brennkraftmaschine ist zur Leistungssteigerung mittels eines Abgasturboladers aufgeladen. Dazu ist eine Turbine 14 in den Abgasstrang integriert, deren Laufrad über eine Welle 16 mit dem Laufrad eines in den Frischgasstrang integrierten Verdichters 18 verbunden ist. Das durch die Turbine 14 strömende Abgas bewirkt einen rotierenden Antrieb des Laufrads des Verdichters und damit die gewünschte Verdichtung des Frischgases.
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Stromab des Verdichters 18 ist eine Drosselklappeneinheit 20 vorgesehen, die zur Regelung der den Zylindern 12 zugeführten Frischgasmenge dient. Stromab der Drosselklappeneinheit 20 ist zudem ein Ladeluftkühler 22 vorgesehen, durch den das verdichtete und dabei erwärmte Frischgas (zusätzlich) gekühlt wird. Der Ladeluftkühler 22 ist in das Saugrohr 24 der Brennkraftmaschine integriert. Im Saugrohr 24 erfolgt die Aufteilung des Frischgasstroms auf den einzelnen Zylindern 12 zugeordnete Teilströme.
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Die Drosselklappeneinheit 20 ist als erfindungsgemäße Regelventileinheit ausgebildet. Diese ist in den 2 bis 5 im Detail dargestellt.
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Die Drosselklappeneinheit 20 umfasst ein Gehäuse. Dieses bildet einen Strömungskanal 26 aus, der Teil des von dem Frischgasstrang insgesamt ausgebildeten Strömungskanals ist. Zur Integration der Drosselklappeneinheit 20 in den Frischgasstrang bildet das Gehäuse eingangs- und ausgangsseitig jeweils einen Anschlussflansch aus.
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Innerhalb des in seiner Grundform zylindrischen Strömungskanals 26 der Drosselklappeneinheit 20 ist eine Drosselklappe 28 drehbar gelagert. Je nach Drehstellung der Drosselklappe 28 verschließt diese den Querschnitt des Strömungskanals 26 mehr oder weniger. Die Drehstellung kann mittels einer Verstelleinheit, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektromotorisch betätigt ist, eingestellt werden, was in Abhängigkeit von einem Steuersignal einer nicht dargestellten Motorsteuerung der Brennkraftmaschine erfolgt. Die Verstelleinheit umfasst einen (nicht dargestellten) elektrischen Stellmotor, dessen Drehbewegung über ein (nicht dargestelltes) Getriebe auf eine die Drosselklappe tragende Welle 46 übertragen wird.
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Im Bereich der Drosselklappe 28 ist ein Kühlmittelkanal 30 in das Gehäuse integriert, der den entsprechenden Abschnitt des Strömungskanals 26 im wesentlichen vollständig umgibt. Über einen Einlassanschluss 32 und einen Auslassanschluss 34 kann der Kühlmittelkanal 30 in einen Kühlmittelkreislauf, insbesondere den Motorkühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert werden. Das Kühlmittel des Kühlkreislaufs durchströmt somit den Kühlmittelkanal 30 der Drosselklappeneinheit 20 und kann somit Wärme von dieser abführen. Diese Wärme entstammt im Wesentlichen dem durch den Strömungskanal 26 strömenden, zuvor von dem Verdichter 18 verdichteten Frischgas.
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Um den Wärmeübergang von dem Frischgas auf das Gehäuse der Drosselklappeneinheit 20 zu verbessern, sind stromauf der Drosselklappe 28, in regelmäßiger Teilung über den gesamten Umfang des Strömungskanals verteilt, Kühlrippen 36 vorgesehen, die radial nach innen in den Strömungskanal 26 ragen.
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Die in Strömungsrichtung, d.h. entlang der Längsachse des Strömungskanals 26 verlaufenden Kühlrippen 36 sind einstückig mit dem entsprechenden Teil des Gehäuses ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Gehäuse (bzw. zumindest der entsprechende Gehäuseteil) aus Kunststoff hergestellt (vorzugsweise spritzgegossen) wird.
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Das Gehäuse der Drosselklappeneinheit der 2 bis 5 umfasst drei Teile: einen Hauptteil 40, der den Strömungskanal 26 einschließlich der Kühlrippen 36, die Lageröffnungen für die Welle 46, den Kühlmittelkanal 30 sowie einen Aufnahmeraum 42 für den Stellmotor und einen Aufnahmeraum 44 für das Getriebe ausbildet. Weiterhin ist eine Abdeckung 48 für den Kühlmittelkanal 30 vorgesehen, die zudem den Einlassanschluss 32 und den Auslassanschluss 34 ausbildet. Und schließlich ist eine Abdeckung 50 für die Verstelleinheit vorgesehen, die zudem das Gehäuse 38 eines elektrisch Steckverbinders ausbildet. Über diesen Steckverbinder kann dem Stellmotor das Steuersignal von der Motorsteuerung übermittelt werden. Die drei Teile des Gehäuses können beispielsweise miteinander verschraubt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Turbine
- 16
- Welle
- 18
- Verdichter
- 20
- Drosselklappeneinheit
- 22
- Ladeluftkühler
- 24
- Saugrohr
- 26
- Strömungskanal
- 28
- Drosselklappe
- 30
- Kühlmittelkanal
- 32
- Einlassanschluss
- 34
- Auslassanschluss
- 36
- Kühlrippen
- 38
- Gehäuse
- 40
- Hauptteil
- 42
- Aufnahmeraum
- 44
- Aufnahmeraum
- 46
- Welle
- 48
- Abdeckung
- 50
- Abdeckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012009288 A1 [0005]
- EP 1126154 B1 [0006]
- EP 0908615 A2 [0007]
- DE 19521573 A1 [0008]
- EP 0651521 B1 [0009]
