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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung, ein Saugrohr mit einer solchen Regelvorrichtung sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Saugrohr.
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Es ist bekannt, bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen und insbesondere Dieselmotoren mit mehr als einem Einlassventil je Zylinder die zumeist zwei Einlasskanäle, die in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet sind und die die von den Zylindern ausgebildeten Brennräume mit dem Frischgasstrang verbinden, unterschiedlich auszubilden und das aus dem Frischgasstrang in die Brennräume strömende Frischgas in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mehr oder weniger über die unterschiedlichen Einlasskanäle zu führen.
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Dabei kann einer der Einlasskanäle jedes Zylinders als so genannter Drallkanal und ein zweiter der Einlasskanäle jedes Zylinders als so genannter Füllungskanal ausgebildet sein. Die Drallkanäle der Brennkraftmaschine erzeugen infolge einer angepassten Kanalführung einen Drall in dem durch diese hindurch und in die Brennräume strömenden Frischgas, während die Füllungskanäle in der Regel möglichst gerade verlaufend ausgebildet sind, um eine Strömung des Frischgases mit möglichst geringem Strömungswiderstand zu gewährleisten. Für eine Regelung der Strömung des Frischgases ist in die einzelnen Drall- und Füllungskanäle in der Regel jeweils ein Klappenventil integriert, das von einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine mittels eines Elektromotors ansteuerbar ist.
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Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem unteren Drehzahl- und Lastbereich werden alle Füllungsklappen, d.h. die Klappenventile der Füllungskanäle, geschlossen, so dass die gesamte Frischgasströmung über die Drallkanäle strömt. Die so erreichbare stark ausgeprägte Verwirbelung des Frischgases in den Brennräumen führt zu einer guten Vermischung des Kraftstoffs und der Luft im Frischgas, was sich wiederum positiv auf die anschließende Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auswirkt.
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Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit zunehmender Drehzahl und Last werden die Füllungskanäle zunehmend geöffnet, um für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein bestmögliches Verhältnis zwischen Frischgasverwirbelung und der Menge des zur Verfügung gestellten Frischgases zu erreichen. Die möglichst widerstandsarme Strömung des Frischgases durch die Füllungskanäle hält dabei die Drosselverluste der Frischgasströmung gering.
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Bei Dieselmotoren, die in der Regel durch das Unterbrechen der Energieversorgung der Kraftstoffpumpe abgeschaltet werden, kann es vorteilhaft sein, gleichzeitig mit dem Unterbrechen dieser Energieversorgung den Frischgasstrang an einer motornahen Stelle zu verschließen, um ein Nachströmen von Frischgas in die Brennräume, was zu ungewollten Verbrennungen führen kann, zu vermeiden. Ein so genanntes Nachlaufen der Dieselmotoren kann dadurch verhindert werden.
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Die
DE 10 2006 009 102 A1 offenbart ein Einlasssystem einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlassventilen und zwei Einlasskanälen je Zylinder. In jedem der Einlasskanäle ist ein Steuerelement angeordnet, welches den Kanal vollständig freigeben, vollständig verschließen oder in eine die Strömung beeinflussende Zwischenstellung gebracht werden kann. Die beiden Steuerelemente eines Zylinders sind vollkommen unabhängig voneinander einstellbar und nicht aneinander gekoppelt.
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Die
DE 39 01 264 A1 zeigt ein zweiflutiges Drosselklappenteil mit zwei Drosselklappen, welche jeweils über einen Hebel verdreht werden können. Die Hebel sind über ein Koppelglied gekoppelt, wobei zwischen dem Koppelglied und einer der Klappen eine desmodromische Steuerung vorgesehen ist. Dadurch öffnet diese Klappe erst ab einem bestimmten Öffnungsgrad der anderen Klappe. Nachdem beide Klappen voll geöffnet wurden, können mittels der desmodromischen Steuerung beide Klappen mittels einer einzigen Rückholfeder geschlossen werden.
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Die
DE 10 2009 049 842 A1 beschreibt eine progressive Drosselklappeneinheit für eine Brennkraftmaschine, welche durch zwei parallele, mittels Getriebe gekoppelter Drosselklappen realisiert ist. Dabei öffnet zunächst nur die eine Klappe mit geringer Winkelgeschwindigkeit, so dass eine gute Leerlaufregelung der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Anschließend öffnet auch die zweite Drosselklappe, so dass dann rasch ein großer Querschnitt freigegeben werden kann.
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Aus der
US 2009 / 0 050 830 A1 ist eine Ventilvorrichtung bekannt, die zur Integration in die Luftzuführung einer Wärmekraftmaschine vorgesehen ist, wobei diese Luftzuführung einen Strang für gekühlte Luft und einen Strang für ungekühlte Luft aufweist. Die Ventilvorrichtung umfasst ein Gehäuse, das einen Einlasskanal ausbildet, der in zwei Auslasskanäle übergeht. In jeden der Auslasskanäle ist ein Klappenventil integriert. Ein Verstellen der beiden Klappenventile erfolgt mittels eines Elektromotors, der eines der Klappenventile direkt verstellen kann, während ein Verstellen des zweiten Klappenventils an eine Bewegung des ersten Klappenventils gekoppelt ist. Dabei ist vorgesehen, dass sich das zweite Klappenventil in einem Normalbetriebszustand der Ventilvorrichtung in einer Schließstellung befindet, während das erste Klappenventil mittels des Elektromotors zwischen einer Öffnungsstellung und einer ersten Schließstellung verstellbar ist. Im Normalbetriebszustand wird folglich das zweite Klappenventil nicht von dem ersten Klappenventil mitbewegt. In einem Stoppzustand der Ventilvorrichtung befinden sich beide Klappenventile in einer Schließstellung (das zweite Klappenventil in seiner ersten Schließstellung). In einem weiteren Betriebszustand ist vorgesehen, dass das zweite Klappenventil in einer Öffnungsstellung und das erste Klappenventil in einer zweiten Schließstellung angeordnet sind. Diese zweite Schließstellung wird durch ein Verdrehen des ersten Klappenventils um 180° ausgehend von der ersten Schließstellung erreicht. Für die Ventilvorrichtung gemäß der
US 2009 / 0 050 830 A1 ist kein Betriebszustand vorgesehen, in dem beide Klappenventile vollständig geöffnet wären. Dadurch ist diese Ventilvorrichtung nicht zur Regelung der Durchströmung von Drall- und Füllungskanälen einer Brennkraftmaschine geeignet, da hierfür, insbesondere für einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine, ein möglichst vollständiges Freigeben aller Einlasskanäle vorgesehen sein soll.
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Eine ähnliche Vorrichtung wie die der
US 2009 / 0 050 830 A1 wird durch die
US 2014 / 0 345 566 A1 beschrieben. Dort wird zusätzlich eine Koppelung offenbart, welche ausgehend von der Ruhestellung das erste Klappenventil schließt, wobei während der Schließbewegung das zweite Klappenventil öffnet und anschließend wieder schließt, während das erste Klappenventil geschlossen bleibt. Eine weitere Koppelung erweitert diese zusätzliche Koppelung dadurch, dass bei Drehung des Elektromotors in eine andere Richtung das zweite Klappenventil geschlossen bleibt, während das erste ebenfalls schließt. Eine Stellung, welche beide Kanäle freigibt, ist ebenfalls nicht offenbart.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die Drall- und Füllungsklappen einer Brennkraftmaschine auf möglichst einfache Weise ansteuerbar auszubilden. Dabei sollte die Ansteuerung der Drall- und Füllungsklappen zudem die Möglichkeit bieten, beide Klappenarten gleichzeitig verschließen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Regelvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein eine solche Regelvorrichtung umfassendes Saugrohr ist Gegenstand des Patentanspruchs 8. Eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Saugrohr ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung und damit des erfindungsgemäßen Saugrohrs sowie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die für die verschiedenen Betriebszustände einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Stellungen einer Drallklappe sowie einer Füllungsklappe auch einstellbar sind, indem lediglich eine erste der Klappen, insbesondere die Füllungsklappe, direkt mittels eines Antriebs verstellbar ist, während eine Verstellung der zweiten Klappe, insbesondere der Drallklappe, an eine Verstellung der ersten Klappe gekoppelt ist, sofern diese Kopplung nur temporär, d.h. nur bei einer bestimmten Verstellung (von mehreren Verstellungsmöglichkeiten) der ersten Klappe, vorgesehen ist. Zudem wurde erkannt, dass diese Koppelung auch gewährleisten kann, beide Klappen gleichzeitig in eine Schließstellung zu verstellen, wodurch ermöglicht wird, eine Frischgasströmung in Brennräume der Brennkraftmaschine zu unterbinden, was insbesondere dazu genutzt werden kann, ein Nachlaufen der Brennkraftmaschine nach ihrem Abstellen zu vermeiden.
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Demnach ist eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung mit
- - einem einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal ausbildenden (ein- oder mehrteiligen) Gehäuse,
- - einem ersten Ventilelement, das mittels eines Antriebs in mindestens zwei Bewegungsrichtungen bewegbar ist, wobei das erste Ventilelement
- - in einer ersten Ventilstellung den ersten Kanal (vorzugsweise weitestmöglich) freigibt sowie
- - in einer zweiten Ventilstellung, die ausgehend von der ersten Ventilstellung in einer ersten der Bewegungsrichtungen erreichbar ist, sowie in einer dritten Ventilstellung, die ausgehend von der ersten Ventilstellung in der zweiten der Bewegungsrichtungen erreichbar ist, den ersten Kanal (vorzugsweise weitestmöglich, zumindest jedoch mehr als in der ersten Ventilstellung) verschließt, sowie
- - einem zweiten Ventilelement, das in einer Öffnungsstellung den zweiten Kanal (vorzugsweise weitestmöglich) freigibt und in einer Schließstellung den zweiten Kanal (vorzugsweise weitestmöglich, zumindest jedoch mehr als in der Öffnungsstellung) verschließt,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventilelement derart mit dem ersten Ventilelement gekoppelt ist, dass dieses
- - bei einer Bewegung des ersten Ventilelements von der ersten in die zweite Ventilstellung (und von der zweiten in die erste Ventilstellung) in der Öffnungsstellung verbleibt und
- - bei einer Drehung des ersten Ventilelements von der ersten Ventilstellung in die dritte Ventilstellung von der Öffnungsstellung in die Schließstellung (sowie bei einem Zurückdrehen des ersten Ventilelements von der dritten Ventilstellung in die erste Ventilstellung wieder von der Schließstellung in die Öffnungsstellung) gedreht wird.
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Eine solche Regelvorrichtung eignet sich insbesondere für eine Verwendung zur Regelung der Zuführung von Frischgas zu Brennräumen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, einer Brennkraftmaschine über mindestens einen Drallkanal und einen Füllungskanal für zumindest einen Brennraum des Verbrennungsmotors. Dabei kann der Drallkanal in bekannter Weise derart ausgebildet sein, dass dieser zu einer ausgeprägten Verwirbelung des in den dazugehörigen Brennraum eintretenden Frischgases führt. Der (jeweilige) Füllungskanal kann dagegen in bekannter Weise derart ausgebildet sein, dass dieser eine Führung des Frischgases mit möglichst geringem Strömungswiderstand ermöglicht, was insbesondere durch eine möglichst geringe Verwirbelung der Frischgasströmung erreichbar ist.
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Eine solche Regelungsvorrichtung zur Regelung der Zuführung von Frischgas über Drall- und Füllungskanäle in Brennräume einer Brennkraftmaschine kann vorzugsweise in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine integriert sein. Bei einem Saugrohr handelt es sich um denjenigen Abschnitt des Frischgasstrangs (und insbesondere um das/die diesen Abschnitt ausbildende Bauteil/Baugruppe), in dem die (Gesamt-)Frischgasströmung in Teilströmungen unterteilt wird, die anschließend den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Demnach betrifft die Erfindung weiterhin ein Saugrohr für eine solche Brennkraftmaschine, wobei das Saugrohr zumindest einen Drallkanal und einen Füllungskanal für zumindest einen Brennraum des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine ausbildet, wobei eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung derart in das Saugrohr integriert ist, dass der erste Kanal der Regelvorrichtung Teil des Füllungskanals und der zweite Kanal der Regelvorrichtung Teil des Drallkanals ist.
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Die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Saugrohrs verwendeten Bezeichnungen „Drallkanal“ und „Füllungskanal“ sollen nicht dahingehend beschränkt ausgelegt werden, dass der Drallkanal des Saugrohrs zwingend so geformt sein muss, dass dieser die angestrebte Verwirbelung des Frischgases in dem dazugehörigen Brennraum bewirkt. Vielmehr kann ausreichend sein, wenn der Drallkanal zur Anbindung an einen entsprechend ausgeformten Dralleinlasskanal, der insbesondere in einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors ausgebildet sein kann, vorgesehen ist. Das gleiche gilt für die Ausbildung des Füllungskanals des Saugrohrs bezüglich der vorgesehenen möglichst strömungswiderstandsarmen Durchströmung mittels des Frischgases.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einem einen oder mehrere Brennräume ausbildenden Verbrennungsmotor (insbesondere Dieselmotor) und einem erfindungsgemäßen Saugrohr, wobei jeweils ein Drallkanal und ein Füllungskanal des Saugrohrs in fluidleitender Verbindung mit jedem der Brennräume ist.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung kann auch für eine andere Verwendung als für die vorzugsweise vorgesehene Regelung der Zuführung von Frischgas über Drall- und Füllungskanäle zu einem oder mehreren Brennräume einer Brennkraftmaschine vorteilhaft sein.
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Erfindungsgemäß soll sich die gewählte Formulierung des Freigebens oder Verschließens des ersten oder zweiten Kanals auf ein Zulassen oder Unterbinden einer Durchströmung des entsprechenden Kanals mittels eines Fluids und insbesondere eines Gases beziehen. Dies erfordert keine (zumindest temporäre) Anordnung des jeweiligen Ventilelements innerhalb des dazugehörigen Kanals, auch wenn eine solche Anordnung bevorzugt vorgesehen ist.
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Weiterhin soll erfindungsgemäß der Begriff „Regeln“ (und Abwandlungen davon) nicht dahingehend beschränkt ausgelegt werden, dass dabei eine Rückkoppelung der Ausgangsgröße auf eine Eingangsgröße erforderlich ist (auch wenn eine solche Rückkoppelung vorzugsweise vorgesehen ist).
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Eine konstruktiv einfache und insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Bauraums vorteilhafte Regelvorrichtung kann ausgebildet werden, wenn das erste Ventilelement und/oder das zweite Ventilelement durch Drehen verstellbar, d.h. zwischen den verschiedenen Ventilstellungen bewegbar, ist und diese folglich als Drehventilelemente ausgebildet sind. Dabei können die Ventilelemente insbesondere als Drehklappenventile ausgebildet sein, bei denen jeweils zumindest ein insbesondere flächiger Ventilkörper um eine Drehachse drehbar beziehungsweise schwenkbar ist. Dabei kann die Drehachse insbesondere zentral innerhalb des entsprechenden Kanalquerschnitts angeordnet sein. Andere Ausgestaltungen der Ventilelemente der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind möglich. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass das erste Ventilelement und/oder das zweite Ventilelement (auch ausschließlich) durch ein Verschieben verstellbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung mit Drehventilelementen kann eine konstruktiv einfache und funktional vorteilhafte Koppelung des ersten (Dreh-)Ventilelements und des zweiten (Dreh-)Ventilelements mittels eines Zahnradgetriebes erfolgen. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das Zahnradgetriebe eine Übersetzung von eins aufweist, so dass dann, wenn das zweite (Dreh-)Ventilelement von dem ersten (Dreh-)Ventilelement mitgedreht wird, diese zwei Drehungen um im Wesentlichen den gleichen Drehwinkel erfolgen. Somit ist vorteilhaft umsetzbar, dass in der ersten Ventilstellung des ersten (Dreh-)Ventilelements sowohl der erste als auch der zweite Kanal weitestmöglich freigegeben sind, während ein Drehen des ersten (Dreh-)Ventilelements (vorzugsweise um in etwa 90°) dazu führt, dass sowohl der erste als auch der zweite Kanal weitestmöglich verschlossen sind.
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Um bei der bevorzugten Kopplung des ersten und zweiten (Dreh-)Ventilelements mittels eines Zahnradgetriebes das erfindungsgemäß vorgesehene nur temporäre Mitbewegen des zweiten (Dreh-)Ventilelements mit dem ersten (Dreh-)Ventilelement zu erreichen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das erste (Dreh-)Ventilelement mit einem ersten Zahnrad des Zahnradgetriebes drehfest verbunden ist und das zweite (Dreh-)Ventilelement mit einem zweiten Zahnrad des Zahnradgetriebes derart gekoppelt ist, dass das zweite Zahnrad
- - bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten in die zweite Ventilstellung relativ zu dem zweiten (Dreh-)Ventilelement gedreht wird und
- - bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten Drehstellung in die dritte Drehstellung das zweite (Dreh-)Ventilelement mitnimmt.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können ein oder mehrere Federelemente vorgesehen sein, das/die bei einer Bewegung und insbesondere Drehung des ersten Ventilelements ausgehend von der ersten Ventilstellung in die zwei Bewegungsrichtungen zunehmend vorgespannt wird/werden. Dadurch kann in vorteilhafterweise eine so genannte failsafe-Funktionalität realisiert werden, durch die bei einem (nicht sperrenden) Ausfall des Antriebs die Positionierung des oder der Ventilelemente in definierten Ventilstellungen gesichert wird, wobei diese Ventilstellungen gegebenenfalls infolge des oder der vorgespannten Federelemente selbsttätig eingenommen wird/werden. Bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich das erste Ventilelement bei einem Ausfall des Antriebs in der ersten Ventilstellung und das zweite Ventilelemente in der Öffnungsstellung befindet oder in die entsprechende Stellung bewegt wird. Demnach wird bei einem Ausfall des Antriebs der Regelvorrichtung eine ausreichende Versorgung der Brennkraftmaschine in allen Betriebszuständen mit Frischgas sichergestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das oder die Federelemente in die Drehlagerung des zweiten (Dreh-)Ventilelements integriert ist/sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass ein Federelement zwischen einer ersten Federaufnahme und einer zweiten Federaufnahme abgestützt ist, wobei
- - die drehbar bezüglich des zweiten (Dreh-)Ventilelements angeordnete erste Federaufnahme derart mit dem zweiten Zahnrad verbunden ist, dass diese
- - von dem zweiten Zahnrad bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten in die zweite Ventilstellung mitgenommen wird und
- - bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten in die dritte Ventilstellung (vorzugsweise durch einen Kontakt mit einem gehäusefesten Anschlag) relativ zu dem zweiten Zahnrad gedreht wird und
- - die drehfest mit dem zweiten (Dreh-)Ventilelement verbundene zweite Federaufnahme derart mit dem zweiten Zahnrad verbunden ist, dass diese
- - bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten in die zweite Ventilstellung (vorzugsweise durch einen Kontakt mit einem gehäusefesten Anschlag) relativ zu dem zweiten Zahnrad gedreht wird und
- - von dem zweiten Zahnrad bei einer Drehung des ersten (Dreh-)Ventilelements von der ersten in die dritte Ventilstellung mitgenommen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das erste Ventilelement mittels des Antriebs auch in eine oder mehrere Zwischenstellungen zwischen der ersten und zweiten Ventilstellung beziehungsweise der ersten und dritten Ventilstellung bewegbar ist. Dadurch kann beispielsweise bei der bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zur Regelung der Zuführung von Frischgas in Brennräume einer Brennkraftmaschine eine gegebenenfalls auch stufenlose Anpassung der Aufteilung der Frischgasströmung auf den oder die Füllungskanäle einerseits und den oder die Drallkanäle andererseits erfolgen. Dabei kann, sofern, wie vorzugsweise vorgesehen, (jeweils) der erste Kanal der Regelvorrichtung Teil des Füllungskanals und der zweite Kanal Teil des Drallkanals ist, vorgesehen sein, dass der Anteil des Frischgases, der über den oder die Drallkanäle in die Brennräume geführt wird, über die Stellung des ersten Ventilelements in dem sich zwischen der ersten und der zweiten Ventilstellung liegenden Bewegungsbereich regelbar ist. Demnach kann vorgesehen sein, dass sich im Betrieb der Brennkraftmaschine das Ventilelement des zweiten Kanals (Drallkanal) dauerhaft in der Öffnungsstellung befindet, während das Ventilelement des ersten Kanals (Füllungskanal) in Abhängigkeit von dem Frischgasbedarf der Brennkraftmaschine innerhalb des zwischen der ersten Ventilstellung und der zweiten Ventilstellung befindlichen Bewegungsbereich verstellt wird.
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Dazu kann die erfindungsgemäße Regelvorrichtung vorzugsweise einen die Stellung und insbesondere die Drehausrichtung des ersten Ventilelements ermittelnden Sensor umfassen, der im Rahmen einer Regelschleife einen Vergleich einer von einer Steuervorrichtung, insbesondere der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine, vorgegebenen Soll-Stellung für das erste Ventilelement mit der Ist-Stellung ermöglicht. Infolge der Bewegungskopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement kann ein Sensor für das erste Ventilelement ausreichend sein, um die Ist-Stellungen beider Ventilelemente zu ermitteln.
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Ein Schließen des zweiten Ventilelements, das erfindungsgemäß durch ein (und gleichzeitig mit einem) Schließen des ersten Ventilelements bewirkt wird, kann dagegen lediglich für oder nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, um ein Nachströmen von Frischgas in die Brennräume und dadurch ein mögliches Nachlaufen des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
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Das erfindungsgemäße Saugrohr kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass der Drallkanal in Einzeldrallkanäle für jeweils einen von mehreren Brennräumen und der Füllungskanal in Einzelfüllungskanäle für jeweils einen von mehreren Brennräumen übergeht. Dadurch wird ermöglicht, bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen alle Drallkanäle und Füllungskanäle mittels jeweils nur eines Ventilelements zu regeln. Möglich ist aber auch, für jeden der Drallkanäle und Füllungskanäle jeweils ein Ventilelement vorzusehen.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung;
- 2: in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Saugrohr mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung, wobei sich die Ventilelemente in einer ersten Betriebsstellung befinden;
- 3: in isolierter Darstellung die Ventilelemente, den diese verstellenden Elektromotor und die das erste Ventilelement mit dem zweiten Ventilelement sowie mit dem Elektromotor koppelnden Zahnräder der Regelvorrichtung gemäß der 2;
- 4: die Regelvorrichtung gemäß der 2 (ohne Gehäusedeckel) mit den Ventilelementen in einer zweiten Betriebsstellung; und
- 5: die Regelvorrichtung gemäß der 2 (ohne Gehäusedeckel) mit den Ventilelementen in einer dritten Betriebsstellung.
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Die in der 1 gezeigte Brennkraftmaschine umfasst einen beispielsweise nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor 10, der beispielsweise als vierzylindriger Hubkolbenverbrennungsmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 10 wird über einen Frischgasstrang 12 mit Frischgas (Umgebungsluft und gegebenenfalls rückgeführtes Abas) versorgt. Dazu wird das Frischgas nach dem Ansaugen aus der Umgebung mittels eines Verdichters 14 verdichtet. Das verdichtete Frischgas wird dann durch einen Ladeluftkühler 16 geführt, in dem das infolge der Verdichtung erwärmte Frischgas bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur für den Eintritt in den Verbrennungsmotor 10 gekühlt wird. Über ein Saugrohr 18 tritt das Frischgas in Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 10 ein, in denen dieses beziehungsweise der darin enthaltene Sauerstoff in bekannter Weise mit direkt in die Brennräume 20 eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird. Das Saugrohr 18 bildet einen Drallkanal 22 und einen Füllungskanal 24 aus, mittels derer das Frischgas den einzelnen Brennräumen 20 zugeführt wird. Die Aufteilung der Frischgasströmung auf den Drallkanal 22 einerseits und den Füllungskanal 24 andererseits wird mittels einer Regelvorrichtung 26 geregelt.
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Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches entstehende Abgas wird über einen Abgasstrang 28 der Brennkraftmaschine abgeführt. Der Abgasstrang 28 umfasst einen Abgaskrümmer 30, in dem das aus den einzelnen Brennräumen 20 ausströmende Abgas zusammengeführt wird, sowie eine davon stromab angeordnete Turbine 32. Die Turbine 32 bildet zusammen mit dem Verdichter 14 einen Abgasturbolader aus und ist mittels eines regelbaren Bypasses 34 (Wastegate) umgehbar ausgeführt. Der Bypass 34 dient dazu, in bestimmten, zu einem großen Abgasmassenstrom führenden Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10, einen Teil des Abgasstroms an der Turbine 32 vorbeizuführen, um so den Ladedruck im Frischgasstrang 12 zu begrenzen.
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In den Abgasstrang 28 ist stromab der Turbine 32 weiterhin eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert. Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen kann dabei beispielsweise einen Oxidationskatalysator 36 sowie einen Partikelfilter 38 umfassen.
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Die 2 zeigt im Detail ein erfindungsgemäßes Saugrohr 18, wie es bei einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 zum Einsatz kommen kann. Das Saugrohr 18 umfasst einen Kanalteil 40 sowie eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung 26, die einlassseitig an den Kanalteil 40 angeschlossen ist. Der Kanalteil 40 bildet einen Abschnitt des Drallkanals 22 aus, der in Strömungsrichtung des Frischgases gesehen auf vier Einzeldrallkanäle 42 aufgeteilt wird. Ausgangsseitig ist jeder dieser Einzeldrallkanäle 42 für einen Anschluss an jeweils einen Dralleinlasskanal 44 eines dazugehörigen Brennraums 20 des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen, wobei die Dralleinlasskanäle 44 in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 10 integriert sind. Der Kanalteil 40 bildet weiterhin einen Abschnitt des Füllungskanals 24 aus, der in Strömungsrichtung des Frischgases gesehen auf vier Einzelfüllungskanäle 46 aufgeteilt wird. Ausgangsseitig ist jeder dieser Einzelfüllungskanäle 46 für einen Anschluss an jeweils einen Füllungseinlasskanal 48 eines dazugehörigen Brennraums 20 des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen, wobei die Füllungseinlasskanäle 48 ebenfalls in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 10 integriert sind.
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Ein erster Kanal 50, der von einem Gehäuse 52 der Regelvorrichtung 26 ausgebildet ist, schließt sich einlassseitig an den Füllungskanalabschnitt des Kanalteils 40 an. An den Drallkanalabschnitt des Kanalteils 40 schließt sich dagegen ein zweiter Kanal 54 der Regelvorrichtung 26 an, der ebenfalls von dem Gehäuse 52 ausgebildet ist.
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Innerhalb des ersten Kanals 50 der Regelvorrichtung 26 ist ein erstes Ventilelement 56, das als Drehklappenventil ausgebildet ist, drehbar angeordnet. Das erste Ventilelement 56 umfasst eine Welle 58, die in radialer Ausrichtung durch den ersten Kanal 50 hindurchragt und beidseitig des ersten Kanals 50 drehbar in dazugehörigen Lageraufnahmen des Gehäuses 52 gelagert ist. Durch eine dieser Lageraufnahmen ragt die Welle 58 hindurch und ist auf der von dem ersten Kanal 50 abgewandten Seite (bezüglich der Lageraufnahme) drehfest mit einem ersten Zahnrad 60 sowie einem Anschlagelement 62 verbunden. Das erste Ventilelement 56 umfasst weiterhin einen flächigen Ventilkörper 64, dessen Umfangsform dem Querschnitt des ersten Kanals 50 entspricht. Der Ventilkörper 64 des ersten Ventilelements 56 ist im Bereich seines Zentrums in einem Längsschlitz der Welle 58 des ersten Ventilelements 56 angeordnet und mittels einer Verschraubung darin fixiert.
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Durch eine Drehung der Welle um 90° kann das erste Ventilelement 56 zwischen einer ersten Ventilstellung, in der dieses den ersten Kanal 50 weitestmöglich freigibt (vgl. 2 und 3), und - in Abhängigkeit von der Drehrichtung - einer zweiten oder dritten Ventilstellung, in der dieses den ersten Kanal 50 weitestmöglich verschließt (vgl. 4 und 5), verstellt werden. Sowohl in der zweiten als auch der dritten Ventilstellung schlägt das Anschlagelement 62 an einen gehäusefesten Anschlag 66 an. Dadurch ist die Bewegung des ersten Ventilelements 56 dahingehend beschränkt, dass dieses lediglich um insgesamt 180° zwischen der zweiten und der dritten Ventilstellung verdreht werden kann. Die erste Ventilstellung befindet sich genau mittig in diesem möglichen Drehbereich.
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Das Bewegen beziehungsweise Drehen des ersten Ventilelements 56 wird mittels eines als Antrieb der Regelvorrichtung 26 dienenden Elektromotors 68 bewirkt, wobei das mit dem ersten Ventilelement 56 verbundene erste Zahnrad 60 über ein Zwischenzahnrad 70 mit einem Antriebsritzel 72 des Elektromotors 68 verbunden ist. Der Elektromotor 68 ist als Servomotor ausgebildet und kann, gesteuert durch PWM-Signale, die diesem von einer Motorsteuerung 74 der Brennkraftmaschine übermittelt werden, in beide Drehrichtungen angetrieben und in beliebigen Drehstellungen (an-)gehalten werden.
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Innerhalb des zweiten Kanals 54 der Regelvorrichtung 26 ist ein zweites Ventilelement 76 drehbar angeordnet. Die Ausgestaltung und Lagerung des zweiten Ventilelements 76 in dem Gehäuse 52 entspricht derjenigen des ersten Ventilelements 56. Das zweite Ventilelement 76 ist weiterhin mit einem koaxial bezüglich einer Welle 58 des zweiten Ventilelements 76 angeordneten und mit dem ersten Zahnrad 60 kämmenden zweiten Zahnrad 78 drehkoppelbar; und zwar derart, dass das zweite Ventilelement 76 von einer Öffnungsstellung, in der dieses den zweiten Kanal 54 weitestmöglich freigibt (vgl. 2 bis 4), in eine Schließstellung, in der dieses den zweiten Kanal 54 weitestmöglich verschließt (vgl. 5) gedreht wird, wenn das erste Ventilelement 56 mittels des Elektromotors 68 von der ersten Ventilstellung in die dritte Ventilstellung gedreht wird. Wird das erste Ventilelement 56 von der dritten Ventilstellung in die erste Ventilstellung zurückgedreht, wird auch das zweite Ventilelement 76 wieder von der Schließstellung in die Öffnungsstellung zurückgedreht. Bei einem Verdrehen des ersten Ventilelements 56 von der ersten Ventilstellung in die zweite Ventilstellung (oder andersherum) ist das zweite Ventilelement 76 dagegen nicht an das erste Ventilelement 56 drehgekoppelt, sondern befindet sich stets in seiner Öffnungsstellung.
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Diese temporäre beziehungsweise drehabschnittsabhängige Drehkoppelung des zweiten Ventilelements 76 an das erste Ventilelement 56 wird durch eine Koppelung des drehbar auf der Welle 58 gelagerten zweiten Zahnrads 78 mit dieser Welle 58 mittels einer ersten Federaufnahme 80 und einer zweiten Federaufnahme 82 sowie einem zwischen diesen beiden Federaufnahmen 80, 82 abgestützten Federelement 84 erreicht. Die erste Federaufnahme 80 ist drehbar auf der Welle 58 des zweiten Ventilelements 76 gelagert und gleichzeitig derart in oder an dem zweiten Zahnrad 78 geführt, dass dieses die erste Federaufnahme 80 mitnimmt, wenn das erste Ventilelement 56 von der ersten in die zweite Ventilstellung gedreht wird, was zu einer entsprechend großen (erstes und zweites Zahnrad 60, 78 sind gleich groß und weisen daher eine Übersetzung von eins auf), jedoch gegenläufigen Drehung des zweiten Zahnrads 78 führt. Diese Drehung der ersten Federaufnahme 80 würde über das Federelement 84 auf die zweite Federaufnahme 82 und wegen der drehfesten Verbindung der zweiten Federaufnahme 82 mit der Welle 58 des zweiten Ventilelements 76 auch auf das zweite Ventilelement 76 übertragen werden, würde die zweite Federaufnahme 76 in der Öffnungsstellung des zweiten Ventilelements 76 nicht (bei der entsprechenden Drehrichtung des zweiten Zahnrads 76) mit einer Anschlagkante 86 an dem gehäusefesten Anschlag 66 anschlagen. Dadurch wird ein solches Mitdrehen der zweiten Federaufnahme 82, die bezüglich dieser Drehrichtung und in dem entsprechenden Drehbewegungsbereich relativ zu dem zweiten Zahnrad 78 drehbar ist, und damit des zweiten Ventilelements 76 verhindert. Folglich wird bei einem Drehen des ersten Ventilelements 56 von der ersten in die zweite Ventilstellung die erste Federaufnahme 80 relativ zu der zweiten Federaufnahme 82 verdreht und dadurch das Federelement 84 in der entsprechenden Drehrichtung (weiter) vorgespannt. Das zweite Ventilelement 76 wird dabei jedoch nicht aus seiner Öffnungsstellung verdreht (vgl. 4). Ein Zurückdrehen des ersten Ventilelements 56 von der zweiten in die erste Ventilstellung, was auch mit einer entsprechenden Drehrichtungsumkehr für das zweite Zahnrad 78 verbunden ist, führt dann zu einem Reduzieren dieser Federvorspannung. Auch damit ist keine Bewegung des zweiten Ventilelements 76 verbunden, weil das vorgespannte Federelement 84 die zweite Federaufnahme 82 kontinuierlich gegen den gehäusefesten Anschlag 66 zieht und somit lagesichert.
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Auch in der ersten Ventilstellung des ersten Ventilelements 56 ist das Federelement 84 noch (zumindest geringfügig) vorgespannt, wodurch ein Flattern des geöffneten zweiten Ventilelements 76 infolge einer Umströmung durch das Frischgas verhindert oder zumindest gering gehalten werden kann.
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Wird das erste Ventilelement 56 ausgehend von der ersten Ventilstellung dagegen in die dritte Ventilstellung gedreht, wird die erste Federaufnahme 80 nicht von dem zweiten Zahnrad mitgenommen (sondern relativ zu diesem gedreht) und schlägt vielmehr mit einer Anschlagkante 86 an den gehäusefesten Anschlag 66. Gleichzeitig wird jedoch die zweite Federaufnahme 82 von dem zweiten Zahnrad 78 mitgenommen, was folglich wieder zu einem Verdrehen der ersten Federaufnahme 80 relativ zu der zweiten Federaufnahme 82 und damit zu einem zunehmenden Vorspannen des Federelements 84 in der entsprechenden Drehrichtung führt. Ein Drehen des ersten Ventilelements 56 von der den ersten Kanal 50 weitestmöglich freigebenden ersten Ventilstellung in die den ersten Kanal 50 weitestmöglich verschließenden dritten Ventilstellung führt somit wegen der drehfesten Verbindung zwischen dem zweiten Ventilelement 76 und der zweiten Federaufnahme 82 zu einem Drehen des zweiten Ventilelements 76 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung (vgl. 5).
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Während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 10 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem unteren Drehzahl- und Lastbereich ist vorgesehen, die Ventilelemente 56, 76 in den in der 4 dargestellten Stellungen zu positionieren, bei der im Wesentlichen die gesamte Frischgasströmung über den zweiten Kanal 54 der Regelvorrichtung 26 und folglich über den Drallkanal 22 in die Brennräume 20 geführt wird. Erhöhen sich die Drehzahl und/oder die Last, mit der der Verbrennungsmotor 10 betrieben wird, so wird der Elektromotor 68 mittels der Motorsteuerung 74 derart angesteuert, dass dieser das erste Ventilelement 56 von der zweiten (geschlossenen) Ventilstellung in Richtung der ersten (vollständig geöffneten) Ventilstellung (zurück-)dreht, wodurch zusätzlich (weil das zweite Ventilelement 76 dabei stets in der Öffnungsstellung verbleibt) Frischgas über den ersten Kanal 50 und den Füllungskanal 24 in die Brennräume 20 strömen kann. Ein mehr oder weniger weit erfolgendes Öffnen des ersten Ventilelements 56 erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem Frischgasbedarf des Verbrennungsmotors 10, wobei der Elektromotor 68 in beliebiger Drehstellung angehalten und gehalten werden kann. Ein die Drehstellung des ersten Ventilelements 56 erfassender Sensor 92 (in den 2 bis 5 nicht sichtbar) ermöglicht durch eine Rückkoppelung der Ist-Drehstellung eine Regelung der Ansteuerung des Elektromotors 68 durch die Motorsteuerung 74. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird folglich das erste Ventilelement 56 lediglich zwischen der ersten und der zweiten Ventilstellung hin und her gedreht, was jedoch infolge der nur drehbereichsabhängigen Drehkoppelung nicht mit einer Verstellung des zweiten Ventilelements 76 verbunden ist, das vielmehr in der Öffnungsstellung verbleibt.
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Ist dagegen ein Abstellen der Brennkraftmaschine vorgesehen, wird das erste Ventilelement 56 mittels des Elektromotors 68 zunächst in die erste Ventilstellung und dann über diese hinaus bis in die dritte Ventilstellung gedreht, wobei dieses Drehen des ersten Ventilelements 56 von der ersten in die dritte Ventilstellung dazu führt, dass das zweite Ventilelement 76 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung mitgedreht wird (vgl. 5).
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Dadurch, dass das Federelement 84 sowohl bei einem Drehen des ersten Ventilelements 56 von der ersten in die zweite Ventilstellung als auch von der ersten in die dritte Ventilstellung zunehmend vorgespannt wird, wird eine doppelte failsafe-Funktionalität für die Regelvorrichtung realisiert. Unabhängig von der Drehrichtung, in der das erste Ventilelement 56 aus der ersten Ventilstellung heraus gedreht wurde, bewirkt die Vorspannung des Federelements 84 bei einem Ausfall des Elektromotors ein selbsttätiges Zurückdrehen des zweiten Ventilelements 76 in die Öffnungsstellung und - wegen des mit dem ersten Zahnrad 60 kämmenden zweiten Zahnrads 78 - auch des ersten Ventilelements 56 in die erste Ventilstellung. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einem Ausfall des Elektromotors 68 stets sowohl der erste Kanal 50 als auch der zweite Kanal 54 weitestmöglich freigegeben sind und folglich eine ausreichende Frischgaszufuhr in sämtlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors gesichert ist.
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Das Gehäuse 52 der Regelvorrichtung 26 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst ein Grundgehäuse 88, das den ersten Kanal 50 und den zweiten Kanal 54, die Lageraufnahmen für die Wellen 58 der Ventilelemente 56, 76 und eine Aufnahme für den Elektromotor 68 ausbildet. Weiterhin umfasst das Gehäuse 52 noch einen Gehäusedeckel 90, der über Verschraubungen mit dem Grundgehäuse 88 verbindbar ist und dafür vorgesehen ist, das System zur Betätigung der Ventilelemente 56, 76, das die verschiedenen Zahnräder 60, 70, 72, 78, die Federaufnahmen 80, 82, das Federelement 84, den gehäusefesten Anschlag 66 und das Anschlagelement 62 des ersten Ventilelements 56 umfasst, zu überdecken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Frischgasstrang
- 14
- Verdichter
- 16
- Ladeluftkühler
- 18
- Saugrohr
- 20
- Brennraum
- 22
- Drallkanal
- 24
- Füllungskanal
- 26
- Regelvorrichtung
- 28
- Abgasstrang
- 30
- Abgaskrümmer
- 32
- Turbine
- 34
- Bypass
- 36
- Oxidationskatalysator
- 38
- Partikelfilter
- 40
- Kanalteil
- 42
- Einzeldrallkanal
- 44
- Dralleinlasskanal
- 46
- Einzelfüllungskanal
- 48
- Füllungseinlasskanal
- 50
- erster Kanal
- 52
- Gehäuse
- 54
- zweiter Kanal
- 56
- erstes Ventilelement
- 58
- Welle
- 60
- erstes Zahnrad
- 62
- Anschlagelement
- 64
- Ventilkörper
- 66
- gehäusefester Anschlag
- 68
- Elektromotor
- 70
- Zwischenzahnrad
- 72
- Antriebsritzel
- 74
- Motorsteuerung
- 76
- zweites Ventilelement
- 78
- zweites Zahnrad
- 80
- erste Federaufnahme
- 82
- zweite Federaufnahme
- 84
- Federelement
- 86
- Anschlagkante
- 88
- Grundgehäuse
- 90
- Gehäusedeckel
- 92
- Sensor
