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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frischluftstrang für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Frischluftstrang.
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Es ist bspw. aus
DE 10 2018 107 436 A1 bekannt, dass für Verbrennungskraftmaschinen eine Frischluftzufuhr benötigt wird. Unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, die nachfolgend im Detail noch erläutert werden, kann es im Bereich der Frischluftzufuhr zu einer Feuchtigkeitsansammlung, wie bspw. durch eine Kondensation, kommen. Die Feuchtigkeit kann durch sehr feuchte Frischluft oder bei einer Abgasrückführung AGR durch abgekühltes Verbrennungsgas verursacht werden. Um diese Kondensation zu vermeiden, können ggf. Verbrennungsparameter, wie z.B. Verdichtung eines Abgasturboladers oder der Anteil der AGR variiert werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch geeignete Mittel sicherzustellen, dass Kondensat oder sonstige Flüssigkeit im Frischluftstrang zu keinem Zeitpunkt die Motorbetriebsbedingungen beeinflussen kann oder gar den Motor schädigen kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Frischluftstrang für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst beim bestimmungsgemäßen Betrieb an der Verbrennungskraftmaschine eine in Schwerkraftrichtung orientierte Senke und einen Abfluss aus der Senke. Eine Senke wird insbesondere als ein Bereich verstanden, in welchem sich dann Flüssigkeit ansammeln könnte, wenn der genannte Abfluss nicht vorhanden wäre. Der Abfluss kann bspw. als eine Rinne oder ein Rohr ausgebildet sein. Eine Rinne kann bei einem Guss eines Ansaugrohrs mitgegossen werden. Ein Rohr kann gerade bei der Herstellung eines Ansaugrohrs in einer additiven Fertigung (z.B. 3D-Druck) einfach bzw. ohne einen nennenswerten (Kosten-) Aufwand in den Körper des Ansaugrohrs integriert werden. Insbesondere wird die Geometrie des Ansaugrohrs durch diverse bauliche Rahmenbedingungen, wie die Gesamtgröße des Motors, wie auch eine benötigte Einströmrichtung der Frischluft in den Motor bestimmt, so dass sich bei manchen Ausführungsformen eine entsprechende Senke ausbilden kann. Eine Senke kann als ein Bereich im Frischluftstrang verstanden werden, durch den ein Frischluftstrom fließt, der nachfolgend eine Strömungsrichtung aufweist mit einem (vektoriellen) Strömungsanteil entgegen der Schwerkraftrichtung. Flüssigkeit, die durch eine Kondensation von (komprimierter und gekühlter) Frischluft oder von gekühltem, rückgeführten Abgas entstehen kann, kann sich bei herkömmlichen Ausführungsformen in der Senke ansammeln. Die Flüssigkeit kann insbesondere Wasser und/oder Öl sein. Durch den Abfluss wird verhindert, dass sich eine gewisse oder übermäßig große Flüssigkeitsmenge im Frischluftstrang ansammelt und dann bspw. schwallartig in den Motor gelangen kann und dort die Verbrennung negativ beeinflussen oder gar eine Motorschädigung verursachen kann. Wenn die Senke in einem Verteilvolumen eines Ansaugrohrs angeordnet ist und dieses eine horizontale Ausrichtung hat und sich über alle Zylinder erstreckt, so kann die Senke ein erhebliches Volumen ausmachen, so dass die dort ansammelbare Flüssigkeitsmenge beachtlich sein kann. Durch den Abfluss wird ein Ansammeln von Flüssigkeit im Frischluftstrang verhindert oder zumindest hinreichend verhindert, so dass die vorgenannten Nachteile nicht entstehen können.
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Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die Senke in einem Ansaugrohr des Frischluftstrangs angeordnet ist. Das Ansaugrohr ist ein Bauteil, bei dem insbesondere ein Verteiler der Frischluft auf unterschiedliche Zylinder angeordnet sein kann und somit einen relativ großen Durchflussquerschnitt aufweist. Abhängig von den baulichen Bedingungen kann gerade dort eine Senke konstruktiv vorgesehen sein.
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Insbesondere führt der Abfluss in den Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine. Grundsätzlich ist es egal, wohin die entstandene Flüssigkeit abgeleitet wird. Diese könnte auch an die Umgebung oder in den Abgasstrang geleitet werden. Aber um mögliche Umweltbelastungen zu minimieren, wird die entstehende Flüssigkeit bevorzugt in den Motor geleitet, so dass sie über die Verbrennung möglichst komplett oxidiert wird, um so Umweltbelastungen zu minimieren.
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Bevorzugterweise kann der Abfluss als eine Rinne ausgebildet sein. Dies bringt Vorteile der einfachen Herstellbarkeit, da lediglich die Gussform für das z.B. Ansaugrohr angepasst werden muss. Auch wird die Gefahr einer Verstopfung dann reduziert, wenn der Abfluss als Rinne und nicht als ein umlaufend geschlossenes Rohr ausgeführt ist.
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Insbesondere kann der Abfluss dabei als eine Rinne ausgebildet sein deren Tiefe gleich zur oder größer als die Breite der Rinne sein. Diese Bedingung kann insbesondere nur abschnittsweise, wie z.B. in ihrer Mitte aus Sicht der Strömungsrichtung erfüllt sein. So kann die Rinne zu Beginn und/oder deren Ende Auslaufbereiche mit einem reduzierten Strömungsquerschnitt aufweisen. Der Fließquerschnitt der Rinne kann dort in einem stufenfreien Übergang in den umgebende Strömungsquerschnitt der Frischluft übergehen. Durch eine so beschriebene große Tiefe kann der Abfluss bei einem geforderten Strömungsquerschnitt eine geringe Breite aufweisen. Dies ist vorteilhaft da eine hohe Breite einen gewissen Einfluss auf die Strömungsbedingungen der Frischluft bewirken kann. Die Strömungsbedingungen der Frischluft ihrerseits sollen nämlich möglichst wenig beeinflusst werden, da hierdurch die Motorverbrennungsbedingungen beeinflusst werden.
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Ferner kann bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern für jeden der Zylinder ein entsprechender Abfluss vorgesehen sein. Alternativ kann nur für einen Teil der Zylinder ein Abfluss aus der Senke in die Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein. Wenn in einem Ansaugrohr ein Verteilvolumen vorgesehen ist, welches im Wesentlichen horizontal ist, so kann sich eine gemeinsame Senke über die Länge des Ansaugrohrs (also bspw. über mehrere oder alle Zylinder) erstrecken. Gerade bei Beschleunigungsbewegungen kann enthaltene Flüssigkeit sich gerade an die in Reihenrichtung außenliegenden Zylindern bewegen, so dass gerade hier ein entsprechender Abfluss vorteilhaft ist. Beispielsweise wird dann bei Zylindern, die in Reihenrichtung innenliegend sind, kein Abfluss benötigt. Es kann ebenso ausreichend sein, lediglich einen Abfluss für ein gemeinsames Ansaugrohr vorzusehen.
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Insbesondere kann die Querschnittsfläche des Abflusses weniger als 15 %, bevorzugt weniger als 5%, eines dem Abfluss benachbarten Querschnitts des Frischluftstrangs entsprechen. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Querschnittsfläche des Abflusses mehr als 0,25%, bevorzugt mehr als 0,5% und insbesondere mehr als 1% eines dem Abfluss benachbarten Querschnitts des Ansaugrohrs entsprechen. Durch diese Bedingungen wird ein minimaler Abfluss sichergestellt und dafür gesorgt, dass der Abfluss nicht unnötig groß ist.
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Bevorzugt wird der Abfluss aus der Senke so ausgelegt, dass 100 % der dort enthaltenen Flüssigkeit abfließen kann. Aber wesentliche Vorteile entstehen bereits, wenn der Abfluss an der Senke so angeordnet ist, dass mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% abfließen können. Die weitere bzw. restliche Flüssigkeit kann abhängig von den Fahrbedingungen, wie Beschleunigung, Abbremsen und Kurvenfahrt abfließen. Da die genannten Fahrbedingungen relativ häufig auftreten, können auf diese Art die erfindungsgemäßen Vorteile zumindest anteilsmäßig realisiert werden.
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Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung kann Flüssigkeit in einem Frischluftstrang entstehen und Frischluft wird über eine optimierte Strömungskontur in einem bestimmten Strömungswinkel in die Verbrennungskraftmaschine geführt. Die entstandene Flüssigkeit wird entweder über ein Rohr oder eine Rinne in den Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine geleitet. Und bevorzugt hat das Rohr oder die Rinne keinen oder einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Strömungsverhältnisse der Frischluft in die Verbrennungskraftmaschine.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Funktionsdiagramm einer Verbrennungskraftmaschine,
- 2 einen seitlichen Schnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ansaugrohr,
- 3 einen Schnitt durch das Ansaugrohr der 4 und
- 4 ein Ansaugrohr gemäß der vorliegenden Erfindung in einem mittigen Schnitt.
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1 zeigt einen beispielhaften und schematischen Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Motor 10 und diversen Komponenten der Frischluft- und Abgasführungen. Von der rechten Seite wird Frischluft, wie es durch einen eingehenden Pfeil angedeutet ist, zu einem Abgasturbolader 28 geleitet, der durch Abgas, welches über einen Abgasstrang 20 vom Motor 10 abgeleitet wird, angetrieben wird. Die so komprimierte und dadurch erwärmte Frischluft kann durch einen Intercooler 47 geleitet und gekühlt werden. Nachfolgend wird sie über eine Führung 45 zu einem Verteilvolumen 30b geleitet. Dort sind unterschiedliche Abzweigungen vorgesehen, so dass die Frischluft über Stutzen 30a zu den einzelnen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 10 geleitet wird. Typischerweise werden die Stutzen 30a und das Verteilvolumen 30b als ein Teil, bevorzugt ein Gussteil, hergestellt. Diese Kombination der Stutzen 30a und des Verteilvolumens 30b wird nachfolgend auch als Ansaugrohr 30 bezeichnet. Über eine gesteuerte Abgasrückführung 25 kann Abgas in den Frischluftstrang eingeleitet werden. Bevorzugt wird die Abgasrückführung 25 hinter den Intercooler 47 eingeleitet. Bei manchen Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich ein Abgaskanal 25a vorgesehen sein, der Abgas vor dem Intercooler 47 einleitet. Dem Fachmann ist unmittelbar klar, dass diverse der genannten Komponenten für die Erfindung nicht zwingend notwendig sind. Insbesondere ist keine Abgasrückführung 25, 25a und/oder ein Abgasturbolader 28 erfindungsnotwendig. Auch ist ein Verteilvolumen 30b nicht zwingend notwendig, sondern vielmehr kann ein Fluidstrang für das ankommende Frischgas ohne ein gesondertes Verteilvolumen in unterschiedliche Kanäle aufgeteilt werden, die ihrerseits als Stutzen 30a das Frischgas zu den Zylindern des Motors 10 leiten.
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Aufgrund der Anforderung, dass das Bauvolumen für die Verbrennungskraftmaschine 10 mit den benötigten Anbaukomponenten möglichst klein sein soll und die Verbrennung optimal eingestellt sein soll, ergeben sich diverse Randbedingungen. Beispielsweise wird gefordert, dass die Frischluft in einer gerichteten und bevorzugterweise möglichst wenig turbulenten Strömung in die Zylinder geleitet wird. Somit hat der Stutzen 30a eine Ausrichtung, die möglichst ablenkungsfrei in den Brennraum der Zylinder führt. 2 zeigt neben dem Stutzen 30a auch ein Verteilvolumen 30b, von welchem die gezeigten vier Stutzen 30a zu den Zylindern abzweigen. Um einen gleichmäßigen Frischluftstrom im Ansaugrohr 30, welches insbesondere aus dem Verteilvolumen 30b und den Stutzen 30a besteht, zu erreichen, ist der Strömungsquerschnitt im Verteilvolumen 30b größer als im Stutzen 30a. Aufgrund erstens der baulichen Bedingungen, dass das Verteilvolumen 30b nicht zu hoch oberhalb des Motors 10 liegen soll, da so der für den Motor benötigte Gesamtbauraum zu groß würde und zweitens um ein möglichst gleichmäßiges Strömen aus dem Verteilvolumen 30b in den Stutzen 30a zu ermöglichen, ist beim Stand (siehe 2) der ein Teil des Verteilvolumens in vertikaler Richtung (also z-Richtung) unterhalb des tiefsten Punkts des Stutzens 30a. Wenn im Frischluftstrang Flüssigkeit eingetragen wird oder sich durch eine Kondensation bildet, so kann es sich am tiefsten Punkt ansammeln. Dies ist in 2 als Senke 32 gezeigt, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. Die dort gesammelte Flüssigkeit kann bei einer entsprechenden Bewegung des Fahrzeugs, wie z.B. einer Kurvenfahrt schwallartig in einen oder mehrere Stutzen 30a gelangen und von dort in den Brennraum des Motors 10. Dort kann es die Verbrennung stören, wie z.B. durch Aussetzer oder einer weniger effizienten Verbrennung, die die Abgaswerte verschlechtert oder es kann bei einem Wasserschlag sogar zu einer Schädigung des Motors kommen.
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Durch die vorliegende Erfindung, die in 3 und 4 gezeigt ist, wird diese Problem vermieden. So zeigt 3 einen mittigen Schnitt durch ein verbessertes Ansaugrohr 30, in dem ein Abfluss 35 erkennbar ist, der vorliegend als eine Rinne ausgeführt ist. Die Rinne ist als eine lokale Erweiterung des Strömungsquerschnitts des Stutzens 30a ausgebildet und liegt bevorzugt so, dass von dem tiefsten Punkt der Senke 32 ein ununterbrochener Abfluss in den Motor 10 möglich ist. Dies ist nur dann möglich, wenn der tiefste Punkt der Senke 32 vertikal oberhalb des untersten Punkts des Einlasses in den Motor liegt. Es muss nicht notwendigerweise beim Abfluss ein Gefälle vorgesehen sein. Es genügt in manchen Ausführungsformen eine ebene Grundfläche des Abflusses 35, da stets das Fahrzeug Eigenbewegungen durchführt und somit der Abflusswinkel des Abflusses 35 sich ändert. Der Schnitt der 4 verläuft mittig durch den Schnitt der 3, so dass der Verlauf des Abfluss 35 entlang der Strömungsrichtung der Frischluft sichtbar ist. Zudem ist die Körperkante sichtbar, die den Abfluss 35 nach oben begrenzt, also im Übergang zum Strömungsquerschnitt für das Frischgas liegt.
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Bevorzugt wird der Fließquerschnitt für den Abfluss 35 möglichst klein gewählt, so dass der Strömungsquerschnitt für die Frischluft möglichst wenig abgelenkt wird. Im Vergleich der 2 und 4 ergibt sich, dass der erfindungsgemäße Strömungsquerschnitt für das Frischgas im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen gleich ist. Er ist lediglich um die gezeigte Rinne erweitert. Die Ausdehnung der Rinne, bzw. des Abflusses in y-Richtung ist möglichst gering. Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille steht der Volumenstrom Q eines durchströmten Querschnitts in vierter Potenz zu dessen Radius r, also: Q ∼ r4. Somit wird kaum Frischluft durch die Rinne des Abflusses 35 strömen und die Einströmrichtung und/oder -menge der Frischluft in den Motor 10 wird durch die Rinne praktisch nicht beeinflusst.
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Die Rinne ist bei einem Herstellverfahren des Ansaugrohrs 30 im Guss einfach herstellbar, da hierfür nur die Gussnegativform und ggf. auch ein Kern entsprechend angepasst werden müssen. In einer alternativen Ausführungsform (nicht grafisch dargestellt) kann der Abfluss als ein Rohr ausgestaltet sein, das seinen Beginn insbesondere am tiefsten Punkt der Senke 32 hat und entweder als Bestandteil des Ansaugrohrs 30 oder als ein gesondertes Bauteil zum motorseitigen Ende des Ansaugrohrs 30 geführt wird. Dadurch kann eine Rinne mit ihrer zumindest geringen Beeinflussung der Frischluftfließrichtung komplett vermieden werden. Ein entsprechendes Ansaugrohr kann bspw. in einer additiven Fertigungsweise, wie insbesondere einem 3D-Druck hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018107436 A1 [0002]
