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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern, mit zumindest einen Abgasturbolader, mit einem eine Abgasrückführleitung zwischen einem Auslasssystem und einem Einlasssystem aufweisenden – insbesondere als Hochdruck-Abgasrückführsystem ausgebildeten – Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung, wobei die Abgasrückführleitung in zylinderselektive Zuführkanäle aufgeteilt ist und pro Zylinder zumindest ein Zuführkanal in einen Einlasskanal des Einlasssystems einmündet.
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Die
AT 512.890 A4 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem, einem Auslasssystem und einem Einlasssystem, wobei die Abgasrückführleitung des Abgasrückführsystems stromabwärts eines elektrischen Verdichters in zylinderselektive Zuführkanäle aufgeteilt ist. Mit dieser Anordnung lässt sich bereits eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen erzielen. Durch die zylinderselektive Abgasrückführung kann eine für alle Zylinder gleiche und hohe Ladungsverdünnung ermöglicht werden.
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Aus der
US 6,062,026 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem bekannt, wobei in einem Luft/EGR-Strömungsweg (EGR = Exhaust Gas Recirculation) ein elektrischer Verdichter angeordnet ist. Der elektrische Verdichter ist über eine ein Bypassventil aufweisende Umgehungsleitung umgehbar. Dabei ist im Bereich einer Zusammenführung der Abgasrückführleitung und eines Frischluftströmungsweges ein Mischventil angeordnet. Der Luft/EGR-Strömungsweg mündet als einzige Einlassleitung in den Einlasssammlers. Eine zylinderselektive Abgasrückführung ist somit nicht möglich. Das Mischventil hat den Nachteil, dass es für sowohl für hohe Temperaturen, als auch für hohe Abgas/Luft-Durchsätze ausgelegt werden muss, was sich nachteilig auf den Herstellungsaufwand und die Kosten auswirkt. Da das Mischventil vom Abgas durchströmt wird, ist es starker Verschmutzung ausgesetzt, was sich sehr nachteilig auf die Standzeit auswirkt.
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Aus der
EP 0 911 502 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem bekannt, wobei die Abgasrückführleitung in eine Verteilerleiste einmündet, von welcher pro Zylinder jeweils ein in jeweils einen Einlasskanal einmündender Verteilerkanal ausgeht. Dadurch kann für alle Zylinder eine möglichst gleiche und hohe Ladungsverdünnung erreicht werden.
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Aus den Druckschriften
DE 10 2006 035 183 A1 ,
DE 10 2007 011 680 A1 ,
US 8 316 829 A ,
WO 07/008196 A1 oder
WO 13/162890 A1 sind Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern bekannt, wobei die Abgasrückführleitung des Abgasrückführsystems von einem oder mehreren Spenderzylindern ausgeht. Eine zylinderselektive Abgasrückführung ist nicht vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit möglichst geringem Aufwand eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Zylinder als Spenderzylinder für das rückzuführende Abgas ausgebildet ist und die Abgasrückführleitung von zumindest einem Auslassventil des Spenderzylinders oder einem Auslasskanal des Spenderzylinders ausgeht.
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Spenderzylinder sind Zylinder, welche Abgas zur Abgasrückführung bereitstellen. Das Abgas zur Abgasrückführung wird dabei ausschließlich von diesen Spenderzylindern entnommen. Das Abgas von Zylindern, welche keine Spenderzylinder sind, wird ausschließlich dem Auslasssystem zugeführt. Dabei können ein oder mehrere der Zylinder der Brennkraftmaschine als Spenderzylinder ausgebildet sein. Günstig ist es beispielsweise, wenn die Hälfte aller Zylinder als Spenderzylinder ausgebildet ist. Spenderzylinder können konstruktiv unterschiedlich zu den anderen Zylindern ausgebildet und/oder mit unterschiedlichem Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Spenderzylinder zumindest zwei Auslassventile und diesen Auslassventilen zugeordnete Auslasskanäle aufweist, wobei der Auslasskanal des ersten Auslassventils des Spenderzylinders mit dem Auslasssystem verbunden ist und die Abgasrückführleitung von zumindest einem zweiten Auslasskanal des zweiten Auslassventils des Spenderzylinders ausgeht. Somit kann eines der Auslassventile zur Rückführung von Abgas in das Einlasssystem verwendet werden, wobei das andere Auslassventil das Abgas in das Auslasssystem leitet. Die beiden Auslassventile können dabei gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zumindest ein Spenderzylinder einen variablen Ventiltrieb für zumindest ein Auslassventil aufweist. Besonders in Zusammenhang mit zwei Auslassventilen ist ein variabler Ventiltrieb von besonderem Vorteil, da mit der variablen Ventilsteuerung der Anteil des rückgeführten Abgases flexibel gesteuert werden kann, ohne dass weitere Steuerorgane – beispielsweise Abgasrückführventile in den Abgasrückführleitungen – notwendig sind. Somit können Bauteile und Bauraum eingespart werden. Der variable Ventiltrieb kann elektrisch, mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder als Kombination davon ausgebildet sein. Es ist möglich Phasenschieber einzusetzen, um die Nockenprofile der beiden Auslassventile gleichzeitig oder unabhängig voneinander zu verstellen.
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Alternativ oder zusätzlich zur Regelung des rückgeführten Abgases durch ein Auslassventil des Spenderzylinders ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiters vorgesehen, dass in zumindest einem Auslasskanal des Spenderzylinders ein Ventil angeordnet ist. Der Spenderzylinder kann ein Auslassventil oder mehrere Auslassventile aufweisen. Dabei kann die Abgasrückführleitung stromaufwärts des als Schaltventil ausgeführten Ventils vom Auslasskanal des Spenderzylinders abzweigen, wobei vorzugsweise in der Abgasrückführleitung zumindest ein Abgasrückführventil angeordnet ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das Ventil als kombiniertes Schaltventil und Abgasrückführventil ausgebildet ist, wobei die Abgasrückführleitung im Bereich des Ventils vom Auslasskanal des Spenderzylinders abzweigt.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass im Einlasssystem zumindest ein sekundärer Lader angeordnet ist, welcher vorzugsweise durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter gebildet ist.
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Der elektrische Verdichter ermöglicht es, auch bei ungünstigen Druckverhältnissen im Abgassystem ausreichend hohe Ladedrücke zu erzeugen, insbesondere um Leistungseinbrüche bei niedrigen Drehzahlen (zum Beispiel sogenannte "Turbolöcher") zu vermeiden. Weiters kann der elektrische Verdichter ergänzend zum Verdichter des Abgasturboladers als zusätzliche Ladestufe verwendet werden.
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Um beispielsweise eine Ungleichverteilung des rückgeführten Abgases bei einer zylinderselektiven Zufuhr entgegenzuwirken, können Dämpfungsvolumina in der Abgasrückführleitung verwendet werden. Diese Dämpfungsvolumina können vorzugsweise vor oder nach dem Abgasrückführungskühler positioniert werden. Darüber hinaus können beispielsweise kalibrierte Zuführbohrungen in den Zuleitungen zu den Einzelsaugrohren der jeweiligen Zylinder dazu verwendet werden, um ebenfalls einer mögliche Ungleichverteilung des rückgeführten Abgases entgegenzuwirken.
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In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der elektrische Verdichter durch eine Umgehungsleitung umgehbar ist, wobei vorzugsweise in der Umgehungsleitung ein insbesondere als Rückschlagventil ausgebildetes drittes Ventil angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem separaten elektrischen Verdichter kann auch vorgesehen sein, dass die Welle des Abgasturboladers mit einem Elektromotor antriebsverbunden ist. Auch damit lassen sich Leistungseinbrüche bei niedrigen Drehzahlen überbrücken.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Die 1 bis 10 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in verschiedenen Ausführungsvarianten.
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Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die für mehrere Zylinder Z ausgebildete Brennkraftmaschine 1 weist ein Abgasrückführsystem 2 zwischen einem Auslasssystem 3 und einem Einlasssystem 4 auf. Mit Bezugszeichen 5 ist ein Abgasturbolader bezeichnet, dessen Abgasturbine 6 im Auslassstrang 7 des Auslasssystems 3 und dessen einen primären Lader für Ladeluft bildender Verdichter 8 im Einlassstrang 9 des Einlasssystems 4 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 6 des Abgasturboladers 5 sind Abgasreinigungseinrichtungen 10 und Schalldämpfer 11 angeordnet.
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Im Einlassstrang 4 ist stromaufwärts des Verdichters 8 des Abgasturboladers 5 ein Luftmengenmesser 12 und stromabwärts des Verdichters 8 ein Ladeluftkühler 13 angeordnet. Mit Bezugszeichen 14 ist eine im Abgasstrang 7 stromabwärts der Abgasturbine 6 angeordnete Lambdasonde, mit Bezugszeichen 15 ein im Einlassstrang 9 stromabwärts des Verdichters 8 angeordneter Ladedrucksensor bezeichnet. Vor dem Eintritt des Einlassstranges 9 in den Einlasssammler 16 ist eine Drosselklappe 17 angeordnet. Vom Einlasssammler 16 führen zylinderindividuelle Einlasskanäle 18 zu den einzelnen Zylindern Z.
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Spenderzylinder ZS sind Zylinder Z, welches Abgas zur externen Abgasrückführung in das Einlasssystem 4 zur Verfügung stellen. Spenderzylinder ZS können sich in der Gestaltung der Kolben und im Verdichtungsverhältnis von anderen Zylindern Z unterscheiden.
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Das Abgasrückführsystem 2 weist eine Abgasrückführleitung 19 auf, mit welcher Abgas von zumindest einem Spenderzylinder ZS entnommen und zum Einlasssystem 4 geführt werden kann. In der Abgasrückführleitung 19 ist in einigen Varianten (1 bis 6, 8 bis 10) ein Abgasrückführkühler 20 angeordnet.
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Das Abgasrückführsystem 2 ist als Hochdruckabgasrückführsystem ausgebildet, wobei die Abgasrückführleitung 19 stromaufwärts der Abgasturbine 6 vom Abgassystem 3 abzweigt und stromabwärts des Verdichters 8 in das Einlasssystem 4 einmündet. Im Bereich der Einmündung der Abgasrückführleitung 19 in das Einlasssystem 4 ist eine Verteilerleiste 26 mit zylinderselektiven Zuführkanälen 29 angeordnet. Die Zuführkanäle 29 münden entweder direkt in die zu jedem Zylinder Z führende Einlasskanäle 18 oder in den Einlasssammler 16 ein, wobei die Austrittsöffnungen der Zuführkanäle in die Einlasskanal-Hauptströmung der Einlasskanäle 18 gerichtet sind. Die dargestellten Varianten mit zylinderselektiver Abgasrückführung haben den Vorteil, dass übermäßige Verschmutzung des Einlasssystems 4 vermieden und das Transientverhalten der Brennkraftmaschine 1 verbessert werden kann. Weiters ist bei zylinderselektiver Zufuhr im Zylinderkopf auch die Erzeugung von Ladungsbewegung möglich. Darüber hinaus kann über die gerichtete Zufuhr auch eine Schichtung des rückgeführten Abgases im Brennraum erzeugt werden.
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Zumindest bei den in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsvarianten weisen die Spenderzylinder ZS jeweils zumindest zwei Auslassventile 41, 42 auf, wobei das erste Auslassventil 41 bzw. ein dem ersten Auslassventil 41 zugeordneter erster Auslasskanal 43 mit dem Auslassstrang 7 verbunden ist. Die Abgasrückführleitung 19 geht von einem zweiten Auslassventil 42 bzw. von einem dem zweiten Auslassventil 42 zugeordneten zweiten Auslasskanal 44 aus. Das zweite Auslassventil 42 bzw. der zweite Auslasskanal 44 ist vom Auslassstrang 7 getrennt und dient nur der Abgasrückführung. Die Größen und Gestaltungen der Ventilsitze des ersten und des zweiten Auslassventils 41, 42 können unterschiedlich sein. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest für die Steuerung zumindest des zweiten Auslassventils 42 oder der Spenderzylinder(s) ZS ein vollvariabler Ventiltrieb vorgesehen ist. Die Regelung der Abgasrückführmenge und des Zeitpunktes der Abgasrückführung kann somit – ohne ein separates Abgasrückführventil – nur durch das zweite Auslassventil 42 erfolgen. Eventuell kann die Brennkraftmaschine 1 mit Phasensteller ausgeführt sein, um eine Feinregulierung der rückgeführten Abgasmenge vorzunehmen, wenn beide Auslassventile 41, 42 geöffnet sind.
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Bei voll geöffnetem erstem Auslassventil 41 und geschlossenem zweitem Auslassventil 42 wird der gesamte Abgasstrom zur Turbine 6 des Abgasturboladers 5 geleitet. Bei geschlossenem erstem Auslassventil 41 und voll geöffnetem zweitem Auslassventil 42 wird, abhängig von der Gesamtanzahl der Zylinder Z, im beispielhaften Fall etwa 25% des Abgases rückgeführt. Durch Verstellung der Hübe und Steuerzeiten des ersten und zweiten Auslassventils 41, 42 kann die Menge des rückgeführten Abgasstromes zwischen 0% und 25% gesteuert werden.
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Weiters kann durch Verstellung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses λ des/der Spenderzylinder ZS die Menge an rückgeführtem Abgas – bezogen auf die restlichen Zylinder Z – eingestellt werden. Bei einer Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern Z kann auf diese Weise die Menge an rückgeführtem Abgas zwischen 25% (bei λ = 1) und etwa 16% (bei λ = 1,5) verstellt werden.
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1 zeigt eine Ausführung mit einem Spenderzylinder ZS, 2 eine analoge Ausführung mit zwei Spenderzylindern ZS.
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Die 3 und 4 zeigen Ausführungen, bei denen im Einlassstrang 9 des Einlasssystems 4 ein als elektrischer Verdichter 22 ausgebildeter sekundärer Lader für Ladeluft angeordnet ist, welcher durch einen Elektromotor 23 angetrieben wird. In 3 ist der elektrische Verdichter 22 im Einlasssystem 4 stromabwärts des Verdichters 8 des Abgasturboladers 5, in 4 stromaufwärts des Abgasturboladers 5 angeordnet. Der elektrische Lader 22 kann jeweils über eine Umgehungsleitung 24, in welcher ein entgegen der Einlassströmungsrichtung schließendes Rückschlagventil 25 angeordnet ist, umgangen werden. In Bereichen schlechten Ansprechverhaltens wirkt der elektrische Verdichter 22 (der entweder vor oder nach dem Verdichter 8 des Abgasturboladers angeordnet sein kann) als zweite Ladestufe, die das sogenannte "Turboloch" schließen kann.
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Die 5 und 6 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen der Verdichter 8 des Abgasturboladers 5 über einen Elektromotor 27 angetrieben werden kann, wobei der Elektromotor 27 auf der Seite des Verdichters 8 (5) oder zwischen dem Verdichter 8 und der Turbine 6 des Abgasturboladers 5 (6) angeordnet sein kann.
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In den 7 und 8 sind Ausführungsvarianten dargestellt, bei denen ein zylindernaher Ladeluftkühler 13 stromabwärts der Einmündung der zylinderselektiven Zuführkanäle in die Einlasskanäle 18 angeordnet ist. Dadurch wird das rückgeführte Abgas zusammen mit der Ladeluft gekühlt, es kann ein Kühler – und damit der dafür nötige Bauraum – eingespart werden. In 8 ist der zylindernahe Ladeluftkühler 13 zusätzlich zum Abgasrückführkühler 20 vorgesehen, um die Kühlung des rückgeführten Abgases zu verbessern. Im Vergleich zu den gezeigten Ausführungen bei denen der Ladeluftkühler 13 zwischen der Turbine 8 und dem Einlasssammler 16 angeordnet ist, kann der Abgasrückführkühler 20 kleiner dimensioniert und somit Bauraum eingespart werden.
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Die 9 und 10 zeigen Ausführungen, bei denen der Spenderzylinder ZS einen zum Auslassstrang 7 des Auslasssystems 3 führenden Auslasskanal 40 aufweist, wobei in dem Auslasskanal 40 des Spenderzylinders ZS ein Ventil 28 angeordnet ist.
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Bei der in 9 dargestellten Ausführungsvariante zweigt die Abgasrückführleitung 19 stromaufwärts dieses Ventils 28 vom Auslasskanal 40 ab. Das Ventil 28 kann als einfaches Schaltventil, beispielsweise als Schaltklappe ausgeführt sein, welches eine Öffnungs- und eine Schließstellung aufweist. Im geöffneten Zustand des Schaltventils wird das Abgas zur Turbine, im geschlossenen Zustand zur Abgasrückführleitung 19 geleitet. In der Abgasrückführleitung 19 ist ein separates Abgasrückführventil 21 vorgesehen, welches antiparallel zum Ventil 28 geöffnet bzw. geschlossen wird.
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Auf ein separates Abgasrückführventil 21 in der Abgasrückführleitung 19 kann verzichtet werden, wenn das Ventil 28 als Steuerventil oder als 3/2-Wegeventil, also als kombiniertes Schaltventil und Abgasrückführventil, ausgebildet ist, wobei die Abgasrückführleitung im Bereich des Ventils 28 vom Auslasskanal 40 des Spenderzylinders ZS abzweigt, wie in 10 gezeigt ist. In einer ersten Schaltstellung des Ventils 28 wird der Abgasstrom zur Turbine 6 des Abgasturboladers 5 und in einer zweiten Schaltstellung zur Abgasrückführleitung 19 geleitet. Das Ventil 28 kann auch zumindest eine Zwischenstellung aufweisen, welche es ermöglicht, einen Teil des Abgasstromes zum Abgasstrang 7 und einen anderen Teil zur Abgasrückführleitung 19 zu leiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 512890 A4 [0002]
- US 6062026 [0003]
- EP 0911502 B1 [0004]
- DE 102006035183 A1 [0005]
- DE 102007011680 A1 [0005]
- US 8316829 A [0005]
- WO 07/008196 A1 [0005]
- WO 13/162890 A1 [0005]
