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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Sekundärluftsystem wird bei einer insbesondere als Otto-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart aktiviert, um bestimmte Abgasbestandteile in der Warmlaufphase zu minimieren. Das Sekundärluftsystem kann insbesondere eine Sekundärluftpumpe und mindestens ein Sekundärluftventil aufweisen. Es wird über das Sekundärluftsystem Sekundärluft nämlich entsprechende Umgebungsluft unter Umgehung des Brennraums durch das Sekundärluftventil in den Abgasstrang eingeblasen. Dort reagiert die Sekundärluft exotherm mit unverbrannten Abgasbestandteilen, wodurch ein Katalysator unterstützt wird, um auf Betriebstemperatur zu kommen. Die Sekundärlufteinblasung erfolgt dabei zwischen den Auslassventilen der Brennkraftmaschine und dem Katalysator. Solche Brennkraftmaschinen mit Sekundärlufteinblasung zur Emissionsreduzierung können eine auslassventilnahe Lufteinblaseposition aufweisen. Diese Brennkraftmaschinen weisen aufgrund des Volumens der Sekundärluftkanäle eine Vergrößerung des mit Abgas in Kontakt stehenden Volumens gegenüber vergleichbaren Motoren ohne Sekundärluftsystem auf. Da untereinander verbundene Sekundärluftkanäle oftmals Strömungen zwischen den einzelnen Abgasfluten ermöglichen, erhöht sich tendenziell das Übersprechverhalten, was negative Auswirkungen auf das Brennverfahren haben kann. Eine Erhöhung des Volumens im Abgasstrang bewirkt eine stärkere Dämpfung der Druckpulse nach Öffnen der Auslassventile. Dies wirkt sich zum Teil negativ auf das Betriebsverhalten eines Abgasturboladers aus, woraus ein schlechteres Ansprechverhalten bzw. ein reduziertes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich resultieren kann.
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Aus der
DE 102 24 719 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Sekundärluftsystem bekannt. Das Sekundärluftsystem weist dabei ein oder mehrere gesteuert zu öffnende Sekundärluftkanäle auf, die in einen Ventildom münden. Mittels eines Steuerventils wird dabei aus einem Druckspeicher eine Zusatzluftmenge zugeführt. Dadurch wird eine Leitströmung im jeweiligen Ansaugkanal erzeugt, welche die im Brennraum gewünschte Ladungsbewegung einstellt. Durch Steuerung der Menge und von Zeitintervallen gepulst zugeführter Zusatzluft zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors kann eine schnellere betriebspunktabhängige Einstellung der Füllung und der Ladungsbewegung des Verbrennungsablaufs in den jeweiligen Brennkammern erzielt werden, ohne dass zusätzliche Drosselverluste im Saugtrakt entstehen. Das dem Brennraum zugeführte Kraftstoff-Gasgemisch ist für jeden einzelnen Zylinder so regelbar und in seiner Strömung beeinflussbar, dass es sowohl den Bedingungen in der Start- und Warmlaufphase als auch den unterschiedlichen Betriebszuständen angepasst werden kann. Das Zuführen der Zusatzluftmenge erfolgt über die den Zylindern zugeordneten Steuerventile, die vom Motorsteuergerät zweckgerichtet angesteuert werden. Die Zusatzluft wird getaktet bzw. pulsierend zum Ventildom zugeführt, so dass die Brennverhältnisse in jedem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine bei einer genauen Dosierung des Kraftstoff-Gasgemisches gezielt einstellbar sind. Zum Beeinflussen der Abgaszusammensetzung in einem jeweiligen Abgaskanal kann bei geöffnetem Auslassventil unmittelbar nach diesem über das Steuerventil regelbar eine Sekundärluftmenge aus dem Druckspeicher zugeführt werden. Nach einem oder mehreren Auslassventilen mündet eine gesteuert zu öffnende Teilleitung des Kanals für eine Sekundärluftströmung. Diese Teilleitung ist unter Zwischenschaltung eines Steuerventils an den Druckspeicher angeschlossen. Das Steuerventil wird direkt oder indirekt elektrisch vom Motorsteuergerät beim Öffnen des Auslassventils des jeweiligen Zylinders synchronisiert angesteuert. Die zugeführte Sekundärluft wird durch das Steuerventil zwischen dem Druckspeicher und der Sekundärluftzufuhr synchron mit dem Ladungswechsel angesteuert.
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Aus der
DE 10 2013 201 456 A1 sind Ausgestaltungen von Verbrennungskraftmotoren mit einem Sekundärluftsystem zum Einblasen von Luft in Auslassöffnungen eines Motors bekannt. Das entsprechende Verfahren ist derart ausgestaltet, dass das Einblasen von Luft in die Auslassöffnung eines ersten Zylinders und nicht in die Auslassöffnung eines zweiten Zylinders während des Ausstoßtakts des ersten Zylinders und das Einblasen von Luft in die Auslassöffnung des zweiten Zylinders und nicht in die Auslassöffnung des ersten Zylinders während des Ausstoßtakts des zweiten Zylinders erfolgt. Dadurch ist das Einblasen in die Auslassöffnung mit der Abgasfreisetzung getaktet. Das Sekundärluftsystem weist in einer Ausgestaltung eine Sekundärluftpumpe auf, die über einen Controller reguliert werden kann. In einer anderen Ausgestaltung des Sekundärluftsystems wird Druckluft über einen Verbindungsgang zugeführt, der Einlassluft auslassseitig des Turboladekompressors umleitet. Der Verbindungsgang wird durch ein Turboladeumleitventil geöffnet und geschlossen. Das Turboladeumleitventil wird durch den Controller gesteuert. In einer Ausgestaltung weist das Sekundärluftsystem eine Drehscheibe und eine Nockenwellenkopplung auf. Die Drehscheibe ist mit der Nockenwelle des Motors gekoppelt, so dass die Drehung der Scheibe mit dem Öffnen jedes Auslassventils jedes Zylinders des Motors getaktet ist. Die Verbindung zwischen der Einblaseinrichtung und der Auslassöffnung kann durch eine kreissegmentförmige Ausschnittsöffnung in der Drehscheibe gebildet sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vergrößerung des Volumens im Abgastrakt durch das Sekundärluftsystem zu vermeiden.
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Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Das Auslassventil dient als Sekundärluftventil und weist eine zusätzliche Steuerkontur auf. Mittels dieser zusätzlichen Steuerkontur ist ein Sekundärluftkanal öffenbar und schließbar. Dies hat den Vorteil, dass eine konstante Phasenlage zum Auslassvorgang unabhängig von den eingestellten Steuerzeiten erzielt ist. Ferner ist eine Volumenminimierung der Sekundärlufteinleitung durch Anordnung der Mündung des Sekundärluftkanals am Auslassventil erzielt. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht eine getaktete Einleitung der Frischluft in den Abgastrakt, wobei hierbei das Sekundärluftventil bzw. das entsprechende Auslassventil nahe der Einleitstelle angeordnet bzw. ausgebildet ist. Es ist eine auslassventilnahe, zeitlich getaktete Sekundärlufteinleitung mit fester Phasenlage zum Auslassöffnungszeitpunkt des zugehörigen Zylinders ermöglicht. Eine stärkere Dämpfung der Druckpulse nach Öffnen der Auslassventile ist somit vermieden.
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Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader auf. Das Betriebsverhalten des Abgasturboladers wird verbessert, insbesondere ist das Ansprechverhalten verbessert und das untere Drehmoment wird erhöht.
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Die Steuerkontur ist nun derart angeordnet und ausgebildet, dass das Zeitfenster der Frischlufteinleitung so gewählt ist, dass die Einleitstelle während der Anfangsphase des Auslassstoßes verschlossen ist. Somit kann der Abgasimpuls im Falle eines abgasturboaufgeladenen Verbrennungsmotors am Turbinenrad maximiert werden. Durch ein zeitlich versetztes Öffnungszeitfenster der Frischlufteinblasung kann ein Übersprechen zwischen den Abgasfluten über das Sekundärluftsystem komplett vermieden werden. Das Öffnungsfenster der Frischlufteinblasung ist kleiner als der Zündabstand.
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In der Anfangsphase des Auslassvorganges sind die Sekundärlufteinlassöffnungen des Sekundärluftkanals durch die Steuerkontur verschlossen. Die Erfindung ermöglicht die Einleitung der Sekundärluft in den Abgastrakt ausschließlich zu einem Zeitpunkt, in dem Abgas durch den zugehörigen Abgaskanal strömt und bildet damit eine optimale Voraussetzung für eine homogene Durchmischung der Frischluft mit dem Abgas.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist zusätzlich stromaufwärts im Sekundärluftkanal ein Mengenregelventil zur Steuerung der Sekundärluftmenge vorhanden. Mit diesem Mengenregelventil ist ein vollständiger Verschluss der Sekundärluftkanäle einstellbar.
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Die Steuerkontur kann als ein am Ventilschaft ausgebildeter Kragen ausgebildet sein. Das Auslassventil weist eine Führung auf, die in den Auslasskanal mündet. Der Sekundärluftkanal mündet ebenfalls in den Auslasskanal. Der Sekundärluftkanal mündet am auslasskanalseitigen Ende der Führung in den Auslasskanal. Die Steuerkontur bzw. der entsprechende Kragen ist nun an dem Schaft des Auslassventils derart angeordnet, so dass der Kragen den Sekundärluftkanal verschließt, wenn das Auslassventil den Auslasskanal gegenüber dem Brennraum verschließt. Wird nun das Auslassventil in die den Auslasskanal öffnende Stellung verschoben, so gibt nach einem gewissen Verschiebeweg die Steuerkontur die Einlassöffnung des Sekundärluftkanals zum Auslasskanal frei. Wenn das Auslassventil aus der geöffneten Stellung die in den Auslasskanal verschließende Stellung zurückbewegt wird, wird zunächst durch die Steuerkontur der Sekundärluftkanal verschlossen, bevor der Auslasskanal durch das Auslassventil verschlossen wird. Hierdurch ist das Zeitfenster der Sekundärlufteinblasung kleiner als das Zeitfenster der Auslasskanalöffnung.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Brennkraft in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
- 1 in einer schematischen Schnittansicht einen Teil einer Brennkraftmaschine mit einem Sekundärluftsystem, und
- 2 in einem Diagramm eine Druckkurve, einen Ventilhub und einen Öffnungszustand eines Sekundärluftkanals, die über einen Kurbenwellenwinkel aufgetragen sind.
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In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasstrang (nicht im Einzelnen dargestellt) mit einem Sekundärluftsystem 2 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinderkopf 3 auf, der zum Teil einen Brennraum 4 begrenzt. Die Brennkraftmaschine 1 weist insbesondere mehrere Zylinder (nicht näher dargestellt) auf. Je Zylinder sind vorzugsweise jeweils mindestens ein Einlasskanal 5 und mindestens ein Auslasskanal 6 vorhanden. Der Auslasskanal 6 mündet in den weiteren Abgasstrang. Die Verbindung zwischen dem Einlasskanal 5 und dem Brennraum 4 ist mittels eines Einlassventils 7 öffenbar und verschließbar. Der Auslasskanal 6 ist gegenüber dem Brennraum 4 mittels eines Auslassventils 8 öffenbar und verschließbar. Das Auslassventil 8 weist einen Ventilschaft 9 und einen Ventilteller 10 auf. Der Ventilteller 10 dichtet den Brennraum 4 gegen den nicht näher bezeichneten Ventilsitz in der dargestellten Anordnung des Auslassventils 8 ab.
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Das Sekundärluftsystem 2 weist nun je Zylinder mindestens ein Sekundärluftkanal 11 auf. Der Sekundärluftkanal 11 ist in einer Sekundärlufteinblasöffnung 12 verschließbar und öffenbar.
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Das Auslassventil 8 dient hier als Sekundärluftventil 13 und weist dazu eine Steuerkontur 14 auf. Die Steuerkontur 14 kann als Bauteil ausgebildet sein, das an dem Auslassventil 8 befestigt ist oder integral an dem Auslassventil 8 ausgebildet sein. Die Steuerkontur 14 ist als eine Art Kragen 15 am Ventilschaft 9 ausgebildet. Der Kragen 15 kann durch einen Ring gebildet sein, der an dem Ventilschaft 9 befestigt ist. Das Auslassventil 8 ist in einer Führung 16 angeordnet. An dem auslasskanalseitigen Ende der Führung 16 mündet der Sekundärluftkanal 11 an der Sekundärlufteinblasöffnung 12 in den Auslasskanal 6. Die Steuerkontur 14 verschließt in der dargestellten Anordnung die Sekundärlufteinblasöffnung 12. Die dargestellte Ausgestaltung ermöglicht eine konstruktiv einfache und kompaktbauende Einblasung von Sekundärluft in den Auslasskanal 6 und damit auch in den entsprechenden Abgasstrang.
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Vorzugsweise ist stromaufwärts der Sekundärlufteinblasöffnung 12 ein Mengenregelventil zur Steuerung der Sekundärluftmenge bzw. zum vollständigen Verschluss des Sekundärluftkanals 11 vorgesehen.
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Wenn nun das Auslassventil 8 in eine den Auslasskanal 6 öffnende Stellung verschoben wird, so öffnet zunächst der Ventilteller 10 einen Spaltraum zum Ventilsitz und erst danach gibt die Steuerkontur 14 die Sekundärlufteinblasöffnung 12 frei. Dies ermöglicht es, dass die Sekundärlufteinblasöffnung 12 zum Zeitpunkt des Beginns Auslassstoßes noch verschlossen ist.
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2 zeigt einen Ventilhub 17 des Auslassventils 8 und einen Ventilhub 18 eines weiteren nicht näher dargestellten Auslassventils eines weiteren Zylinders. Es ist eine Druckkurve 19 über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen, die den Druck des Auslassstoßes beschreibt. Ferner ist ein Öffnungszustand 20 der Sekundärlufteinblasöffnung 12 auftragen. Der Öffnungszustand 20 der Sekundärlufteinblasöffnung 12 hängt dabei von der Positionierung der Steuerkontur 14 relativ zur Sekundärlufteinblasöffnung 12 ab. Gut zu erkennen ist, dass die Sekundärlufteinleitung um eine Zeit At bzw. um eine entsprechenden Kurbelwellenwinkeldifferenz verzögert erfolgt. Der Peak 20 der Druckkurve 19 ist bereits erreicht, wenn der Öffnungszustand 20 einer vollständig geöffneten Stellung der Sekundärlufteinblasöffnung 12 entspricht. Die Sekundärlufteinblasöffnung 12 ist in der Anfangsphase des Auslassstoßes, d.h. in der Zeit Δt verschlossen. Das Zeitfenster der Frischlufteinleitung ist hierbei so gewählt, dass die Sekundärlufteinblasöffnung 12 zum Beginn des Auslassstoßes zumindest noch zum Teil verschlossen ist. Somit kann der Abgasimpuls im Falle eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors am Turbinenrad maximiert werden.
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Die Erfindung ermöglicht die Einleitung der Sekundärluft in den Abgastrakt ausschließlich zu einem Zeitpunkt in dem Abgas durch den zugehörigen Abgaskanal strömt. Dies ist die optimale Voraussetzung für eine homogene Durchmischung. Ferner ist eine auslassventilnahe, zeitlich getaktete Sekundärlufteinleitung mit fester Phasenlage zum Auslassöffnungszeitpunkt des zugehörigen Zylinders ermöglicht. Das Öffnungsfenster der Sekundärlufteinblasung ist kleiner als der Zündabstand, wodurch ein Übersprechen zwischen dem Abgasfluten über das Sekundärluftsystem 2 komplett vermieden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Sekundärluftsystem
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Brennraum
- 5
- Einlasskanal
- 6
- Auslasskanal
- 7
- Einlassventil
- 8
- Auslassventil
- 9
- Ventilschaft
- 10
- Ventilteller
- 11
- Sekundärluftkanal
- 12
- Sekundärlufteinblasöffnung
- 13
- Sekundärluftventil
- 14
- Steuerkontur
- 15
- Kragen
- 16
- Führung
- 17
- Ventilhub
- 18
- Ventilhub
- 19
- Druckkurve Auslassstoß
- 20
- Öffnungszustand
- 21
- Peak
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10224719 A1 [0003]
- DE 102013201456 A1 [0004]
