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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Sekundärlufteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Reduzierung von Emissionen der Verbrennungskraftmaschine sind in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Abgasreinigungseinheiten stromab eines Auslassventils der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, insbesondere ein Katalysator und ein Partikelfilter. Ein effizienter Betrieb der Abgasreinigungseinheit ist abhängig von einer bestimmten Betriebstemperatur derselben, welche wiederum abhängig von einer Temperatur des sie durchströmenden Abgasmassenstromes der Verbrennungskraftmaschine ist. Im Allgemeinen gilt je höher die Abgastemperatur ist, desto effizienter ist der Betrieb der Abgasreinigungseinheit. Bei niedrigen Abgastemperaturen werden mitunter bestimmte, für den Betrieb der Abgasreinigungseinheit erforderliche Temperaturen nicht erreicht. Dies gilt insbesondere für einen so genannten Kaltstartbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. Zur Herbeiführung einer entsprechend hohen Abgastemperatur werden bspw. innermotorischen Maßnahmen vorgenommen, derart, dass bspw. ein Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils relativ früh gelegt ist oder eine sauerstoffreiche Gemischverbrennung vorgesehen ist. Das Einblasen von Sekundärluft mit Hilfe einer Sekundärlufteinrichtung in den Abgasmassenstrom zur Realisierung der entsprechend hohen Abgastemperatur ist grundsätzlich ebenfalls bekannt.
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So offenbaren die Patentschrift
DE 40 29 672 C2 , die Offenlegungsschrift
DE 44 27 214 A1 und die Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2013 010 403 U1 eine Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei zur Realisierung einer Sekundärluftzufuhr in den Abgastrakt eine Brennstoffzufuhr einzelner Zylinder unterbrochen wird.
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Die Offenlegungsschrift
DE102 42 767 A1 offenbart ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Sekundärlufteinrichtung, wobei die Verbrennungskraftmaschine einen nockenwellenlosen Ventiltrieb aufweist und mit Hilfe einer elektronischen Steuerung von Einlass- und Auslassventilen eines Zylinders Sekundärluft über diesen Zylinder in einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine geführt wird.
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Der Offenlegungsschrift
DE 103 48 774 A1 betrifft ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Sekundärlufteinrichtung, wobei einzelne Zylinder der Verbrennungskraftmaschine derart gesteuert werden, dass über sie Sekundärluft in einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine geführt wird, wobei eine Steuerung mit Hilfe von Einlass- und/oder Auslassventilen der einzelnen Zylinder erfolgt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2018 114 348 A1 geht eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Zylindereinheit und mit einer Sekundärlufteinrichtung hervor, wobei mittels der Sekundärlufteinrichtung Prozessluft aus der wenigstens einen Zylindereinheit
entnommen und als Sekundärluft bereitgestellt wird, wobei die Prozessluft mit Hilfe eines Dekompressionsventils aus der Zylindereinheit entnommen wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Sekundärlufteinrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Sekundärlufteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Sekundärlufteinrichtung weist eine Zylinderbank mit zumindest zwei Zylindern auf, einen Ansaugstrang, über welchen Frischluft den Zylindern zuführbar ist, sowie einen Abgastrakt, umfassend einen Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine. Über den Abgaskrümmer ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine in eine Umgebung leitbar. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine eine Sekundärlufteinrichtung auf, mit deren Hilfe Frischluft in den Abgastrakt leitbar ist, wobei der Sekundärlufteinrichtung zumindest ein Zylinder der Zylinderbank zugeordnet ist, über welchem im Betrieb der Sekundärlufteinrichtung die Frischluft unverbrannt in den Abgastrakt förderbar ist. Erfindungsgemäß weist der Ansaugstrang einen Luftsammelbehälter auf, welcher mit einem Einlasskanal der Zylinder durchströmbar verbunden ist, wobei stromauf des der Sekundärlufteinrichtung zugeordneten Zylinders ein Regelelement zur Regelung der Frischluft ausgebildet ist. Der Vorteil der Erfindung, einen Luftsammelbehälter im Ansaugstrang vorzusehen, ist darin zu sehen, dass ein weitestgehend stabiler Druck stromauf der Zylinder im Luftsammelbehälter ausgebildet ist. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine liegen im Ansaugstrang Druckschwankungen vor, welche auch als Druckwellen bezeichnet werden können, die durch Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen der Zylinder ausgebildet sind. Sofern nun ein Luftsammelbehälter stromauf der Zylinder angeordnet ist, über den bevorzugt sämtliche Zylinder der Zylinderbank Frischluft ansaugen, sind die Druckschwankungen aufgrund eines im Vergleich zu einem Ansaugstrang ohne Luftsammelbehälter ausgebildeten Volumens wesentlich geringer, oder möglicherweise nicht vorhanden. Dies bedeutet weiter, dass der der Sekundärlufteinrichtung zugeordnete Zylinder eine höhere Frischluftmasse in den Abgastrakt fördern kann, als es ohne den Luftsammelbehälter möglich wäre. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Sekundärluftförderung vollständig ohne zusätzliche Pumpe, wie sie üblicherweise ausgebildet ist, hinreichend und effizient realisiert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist das Regelelement in Form einer Drosselklappe oder eines Einlassventils ausgebildet. Der Vorteil einer Drosselklappe ist darin zu sehen, dass diese eine hohe Robustheit und damit eine lange Lebensdauer aufweist. Der Vorteil das Regelelement in Form des Einlassventils auszuführen, wäre darin zu sehen, dass auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden kann.
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Insbesondere ist das Regelelement mit Hilfe einer Regelungs- und Steuerungseinheit der Verbrennungskraftmaschine einstellbar, wobei hier auf einfache Weise eine betriebspunktabhängige Einstellung des Regelelementes ermöglicht ist. Insbesondere ist die Sekundärlufteinrichtung in einem so genannten Kaltstart-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aktiviert.
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Zur verbesserten Einstellung des Regelelementes ist im Abgastrakt stromauf einer im Abgastrakt ausgebildeten Reinigungseinheit eine Lambdasonde im Abgastrakt angeordnet. So kann stromauf der Abgasreinigungseinheit ein dieser Abgasreinigungseinheit zuzuführendes Kraftstoff-Luftverhältnis bestimmt werden, und falls notwendig, eine aktuelle Einstellung des Regelelementes geändert werden.
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Vorteilhaft ist bei einer Ausführung des Regelelements in Form des Einlassventils eine das Einlassventil betreibende Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine eine verstellbare Nockenwelle. So kann auf einfache Weise ein Hub des Einlassventils geändert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist das Regelelement außerhalb des Betriebes der Sekundärlufteinrichtung zur Durchströmung des Einlasskanals funktionsneutral eingestellt. Das heißt mit anderen Worten, dass in einem außerhalb des Betriebs der Sekundärlufteinrichtung ausgebildeten „normalen“ Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine Durchströmung des Einlasskanals möglichst ungehindert, somit möglichst ohne Strömungsverluste ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigt die einzige Figur in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Sekundärlufteinrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 1 umfassend eine Sekundärlufteinrichtung 2 ist beispielhaft gemäß der Figur ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist beispielhaft in Form eines Ottomotors ausgestaltet.
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Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist zwei Zylinderbänke 3 auf, welche jeweils vier Zylinder 4 besitzen. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 1 einen Ansaugstrang 5 und einen Abgastrakt 6 auf, wobei sie durchströmbar mit dem Ansaugstrang 5 und mit dem Abgastrakt 6 verbunden ist.
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Jeder Zylinder 4 weist zumindest einen Einlasskanal 7 und einen Auslasskanal 8 auf, wobei der Einlasskanal 7 und der Auslasskanal 8 durchströmbar mit dem Zylinder 4 ausgeführt sind. Der Einlasskanal 7 kann mit Hilfe eines Einlassventils 9 und der Auslasskanal 8 kann mit Hilfe eines Auslassventils 10 teilweise oder vollständig geöffnet oder teilweise oder vollständig geschlossen werden.
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Im Einlasskanal 7 ist ein Einspritzelement 11 einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 zur Einspritzung von Kraftstoff stromauf des Einlassventils 9 angeordnet. Ebenso könnte das Einspritzelement 11 auch zu Einspritzung von Kraftstoff unmittelbar in den Zylinder 4 ausgeführt sein.
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Der Ansaugstrang 5 besitzt zwei Luftsammelbehälter 13, wobei jeder Zylinderbank 3 ein Luftsammelbehälter 13 zugeordnet ist. Der Luftsammelbehälter 13 ist durchströmbar mit den Einlasskanälen 7 ausgeführt. Das heißt mit anderen Worten, dass, sofern ein Einlassventil 9 vollständig oder teilweise geöffnet ist, Luft aus dem Luftsammelbehälter 13 über den Einlasskanal 7 in den Zylinder 4 strömen kann.
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Der Abgastrakt 6 umfasst zwei Abgaskrümmer 14, wobei jeder Zylinderbank 3 ein Abgaskrümmer 14 zugeordnet ist. Die beiden Abgaskrümmer 14 sind an ihren von der Verbrennungskraftmaschine 1 abgewandt ausgeführten Enden 15 mit einer Verbindungsleitung 16 des Abgastraktes 6 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 16 mit einer Abgasleitung 17 des Abgastraktes 6 durchströmbar verbunden ist, über die ein im Abgastrakt 6 geführtes Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 an die Umgebung weitergeleitet wird. Ebenso könnte auch jeder Abgaskrümmer 14 eine Abgasleitung 17 aufweisen, so dass der Abgastrakt 6 zwei Abgasleitungen 17 besitzen würde, wobei die Verbindungsleitung 16 eliminiert wäre.
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Oftmals ist im Abgastrakt 6 eine nicht näher dargestellte Turbine eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers vorgesehen, welche mit einem im Ansaugstrang 5 angeordneten nicht näher dargestellten Verdichter verbunden ist. In der Turbine wird Abgasenthalpie zum Antreiben des Verdichters genutzt, damit dieser Verbrennungsluft ansaugen und verdichten kann. Diese angesaugte und verdichtete Verbrennungsluft wird vom Zylinder 4 der Verbrennungskraftmaschine 1 in einem Ansaughub eines im Zylinder 4 aufgenommenen Kolbens zugeführt und in diesem unter Zufuhr von Kraftstoff verbrannt. Sofern eine Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgebildet ist, die nicht zwingend in Form eines Abgasturboladers vorliegen muss, sondern bspw. auch in Form eines mechanischen Verdichters ausgebildet sein kann, besteht die Möglichkeit die Leistung der Verbrennungskraftmaschine 1 im Vergleich ohne Aufladung zu steigern. Ist keine Aufladung ausgebildet, wird unverdichtete Frischluft über den Ansaughub dem Zylinder 4 zugeführt, wo diese unter Zufuhr von über das Einspritzelement 11 dem Zylinder 4 zugeführtem Kraftstoff verbrannt wird.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass unter dem Begriff Frischluft nicht zwingend ausschließlich aus der Umgebung angesaugte Luft zu verstehen ist, sondern es könnte auch die Frischluft Abgasbestände aufgrund einer Abgasrückführung aufweisen. Somit ist unter dem Begriff Frischluft, die über das Einlassventil 9 in den Zylinder 4 gelangende Luft vor ihrer Durchmischung mit Kraftstoff und anschließender Verbrennung zu verstehen.
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Das Endprodukt der Verbrennung ist das Abgas, welches in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschine 1, unabhängig davon ob sie in Form eines Otto- oder eines Dieselmotors ausgeführt ist, eine entsprechende Zusammensetzung von Schadstoffen aufweist.
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Zur Reduzierung der Schadstoffe, die im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 enthalten sind, ist eine nicht näher dargestellte Reinigungseinheit im Abgastrakt 6 angeordnet. Diese Reinigungseinheit kann unterschiedliche Reinigungseinrichtungen aufweisen, bspw. einen Partikelfilter, und/oder einen Katalysator. Ebenso könnte auch ein so genannter DeNox-Katalysator ausgebildet sein, oder die Reinigungseinheit könnte noch mit einem Harnstoffbehälter zur Zufuhr von Harnstoff in das Abgas zur Stickoxidemissionsreduzierung ausgeführt sein. Es sind vielzählige Möglichkeiten einer Ausführung der Reinigungseinheit denkbar.
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Stromauf der Reinigungseinheit und vorteilhafterweise am Ende 15 des Abgaskrümmers 14 ist eine so genannte Lambdasonde 18 im Abgastrakt 6 zur Messung einer Abgaszusammensetzung in Bezug auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis angeordnet, wobei ein Restsauerstoffgehalt im Abgas ermittelt wird.
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Die Sekundärlufteinrichtung 2 umfasst pro Zylinderbank 3 einen Zylinder 4, dem ein Regelelement 19 zugeordnet ist. Dieses Regelelement 19 ist mit Hilfe eines Regelungs- und Steuerungssystems 20 der Verbrennungskraftmaschine 1 einstellbar. Das Regelungs- und Steuerungssystem 20 steuert und regelt verschiedene Stellelemente der Verbrennungskraftmaschine 1, bspw. auch das Einspritzelement 11 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12. Sofern die Einlassventile 9 und die Auslassventile 10 elektronisch steuerbar ausgeführt sind, können auch diese von dem Regelungs- und Steuerungssystem 20 eingestellt werden.
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Sofern die Sekundärlufteinrichtung 2 aktiviert ist, ist das Regelelement 19 zur Durchströmung des Einlasskanals 7 geöffnet, wobei eine Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder 4, welcher dem Sekundärluftsystem 2 zugeordnet ist, bevorzugt ausgesetzt ist. Das heißt mit anderen Worten, dass im Betrieb der Sekundärlufteinrichtung 2 dem dem Sekundärluftsystem 2 zugeordnete Zylinder 4 kein Kraftstoff zugeführt wird und die vom Zylinder 4 angesaugte Frischluft unverbrannt in den Abgastrakt 6 gefördert wird. Er saugt Frischluft gemäß seinem Takt an und schiebt diese gemäß seinem Takt und der Position des im zugeordneten Auslassventils 10 in den Abgaskrümmer 14, welcher der Zylinderbank 3 den Zylinder 4 des dem Sekundärluftsystem 2 zugeordneten Zylinders 4 aufweisend zugeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass das Abgas, welches aus den übrigen Zylindern 4 der Zylinderbank 3 über deren Auslasskanäle 8 in den Abgaskrümmer 14 ausströmt, sich mit der Luft des der Sekundärlufteinrichtung 2 zugeordneten Zylinders 4 vermischen kann, damit ein so genanntes stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit einem Wert 1 erzielt werden kann.
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Zur Einstellung des Regelelementes 19 ist dem Regelelement 19 ein vom Regelungs- und Steuerungssystem 20 anzusteuernder Aktor 21 zugeordnet. Das Regelelement 19 ist vorteilhaft in Form einer Drosselklappe ausgebildet, kann jedoch auch eine andere Form besitzen.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht das Einlassventil 9 dem Regelelement 19. Hierbei kann das Einlassventil 9 gemäß seiner üblichen Hubkurve betrieben werden, oder es kann mit Hilfe einer Hubregeleinrichtung bspw. in Form einer verstellbaren Nockenwelle in seiner den Einlasskanal 7 während der Betriebsdauer der Sekundärlufteinrichtung 2 vollständig öffnenden Position angeordnet sein.
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Nach Betriebsende der Sekundärlufteinrichtung 2, somit im regulären Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 ohne Sekundärluftzufuhr in den Abgastrakt 6, ist das Regelelement 19 funktionsneutral positioniert und wird vom Aktor 21 nicht angesteuert. Sofern das Regelelement 19 in Form des Einlassventils 9 ausgebildet ist, weist dieses seinen üblichen Hubverlauf auf.
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Der Luftsammelbehälter 13 weist eine übliche Drosselklappe 22 auf, welche mit Hilfe des Regelungs- und Steuerungssystems 20 eingestellt wird, die, wie auch das Einspritzelement 11 und der Aktor 21 über Verbindungen 23, mechanisch oder elektronisch, mit der Regelungs- und Steuerungseinheit 20 verbunden sind.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Verbrennungskraftmaschine 1 zwei Zylinderbänke 3 mit je vier Zylindern 4, je einem Luftsammelbehälter 13 und je einem Abgaskrümmer 14 sowie je einer Sekundärlufteinrichtung 2 auf. Ebenso könnte auch die Verbrennungskraftmaschine 1 aus nur einer Zylinderbank 3 ausgeführt sein, wobei der Sekundärlufteinrichtung 2 zumindest ein Zylinder 4 der Zylinderbank 3 zugeordneten ist. Auch könnten die Verbrennungskraftmaschine 1 mehrere Abgaskrümmer 14 aufweisen. Oder es könnte die Verbrennungskraftmaschine 1 eine Zylinderbank 3 mit fünf oder mehr Zylindern 4 ausgeführt sein.
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Grundsätzlich sollte einer Funktionstüchtigkeit der Verbrennungskraftmaschine 1 wegen eine Zylinderbank 3 zumindest drei Zylinder 4 umfassen, von denen einer der Zylinder 4 der Sekundärlufteinrichtung 2 zugeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Sekundärlufteinrichtung
- 3
- Zylinderbank
- 4
- Zylinder
- 5
- Ansaugstrang
- 6
- Abgastrakt
- 7
- Einlasskanal
- 8
- Auslasskanal
- 9
- Einlassventil
- 10
- Auslassventil
- 11
- Einspritzelement
- 12
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung
- 13
- Luftsammelbehälter
- 14
- Abgaskrümmer
- 15
- Ende
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Abgasleitung
- 18
- Lambdasonde
- 19
- Regelelement
- 20
- Regelungs- und Steuerungseinheit
- 21
- Aktor
- 22
- Drosselklappe
- 23
- Verbindung
