DE10327303A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasströmungsleitelement - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem Brennraum (2), dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet ist, wobei an dem Auslasskanal eine Sekundärgaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft, zuführbar ist.
Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine in dem Auslasskanal (3) ein Strömungsleitelement (6) angeordnet zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal (3) vorliegenden Gasströmung, bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas.
Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum, dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind, wobei an dem Auslasskanal eine Sekundärgaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft zuführbar ist.
• Beim Kaltstart wird einem Verbrennungsmotor häufig mehr Kraftstoff zugeführt als er verbrennen kann, zusätzlich werden Kraftstoffbestandteile in Spalten zwischen Ventilen und Ventilsitzringen, in Spalten an Zündkerzen und am Feuersteg von der Teilnahme an der Verbrennung abgehalten. Entsprechend werden unverbrannte Kraftstoffbestandteile mit dem Abgas der Brennkraftmaschine aus den Brennräumen entlassen. Sie schlagen sich wenigstens teilweise als Wandbenetzung an gasführenden Teilen des Auslasskanals nieder und bilden einen Wandfilm mit unterschiedlicher Ausprägung, je nach Oberflächentemperatur, Oberflächenrauhigkeit und Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur etc.) im Auslasskanal.
• Es ist bekannt, im Abgastrakt eine Nachreaktion von im Abgas vorhandenen Kraftstoffbestandteilen zu ermöglichen, wobei sowohl Katalysatoren als auch eine Sekundärlufteinblasung zur Anwendung kommen. Eine Sekundärlufteinblasung, die in einem vom Ventilsitz beabstandeten Bereich stattfindet weist allerdings eine reduzierte Wirksamkeit auf, sofern nicht eine ausreichende Durchmischung von Sekundärluft und Abgas erfolgt. Auch für einen in den Abgastrakt eingeschalteten Oxidationskatalysator ist eine gute Durchmischung der zugeführten Gasströmung von Vorteil.
• Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst einfachen Mitteln eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit insbesondere im Kaltstartbetrieb reduzierten Emissionen an unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteilen bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich aus durch ein in dem Auslasskanal angeordnetes Strömungsleitelement zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal vorliegenden Gasströmung bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas. Das Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft ist durch einen im oder am Zylinderkopf gebildeten Sekundärgaskanal in den Auslasskanal einbringbar und mit dem Abgas vermischbar, wobei mittels des Sekundärgases das heiße Abgas einerseits gekühlt und andererseits weiter chemisch umgesetzt werden kann. Insbesondere ist ein Sekundärluftkanal vorgesehen, um Sekundärluft in den Abgaskanal bzw. möglichst nahe an ein entsprechendes Auslassventil bzw. dessen Ventilsitz heranzuführen. Zur Vermischung der Sekundärluft mit dem aus dem Brennraum ausgestoßenen Abgasstrom ist vorgesehen, entweder den Abgasstrom oder die aus Abgas und Sekundärluft bestehende Mischgasströmung mit einem Drall oder einer sonstigen Wirbelbewegung zu versehen. Gegebenenfalls kann auch die Sekundärluftströmung mit einem Drall versehen werden. Dazu ist ein Strömungsleitelement im Auslasskanal vorgesehen, das mit vorzugsweise geringem Strömungswiderstand eine Rotation und/oder Verwirbelung der vorbeiströmenden Gase bewirkt.
• In Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement als separates Einsatzelement mit mehreren Leitschaufeln zur Drallerzeugung ausgestaltet. Mittels der Leitschaufeln ein Drall weitgehend verlustfrei und in der gewünschten Intensität und Richtung erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend können einzelne Strömungsleitelemente auch einstöckig mit dem Zylinderkopf ausgeführt sein.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement stromab der Sekundärgaszufuhreinrichtung in den Auslasskanal eingesetzt. Dadurch wird eine zuverlässige Durchmischung einer Gasströmung bestehend aus Abgas und Sekundärgas sichergestellt.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mit Hilfe des Sekundärluftleitelementes im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärluftleitelement derart zylindrisch ausgebildet und in den Auslasskanal eingebracht, dass zwischen Sekundärluftleitelement und Auslasskanalwand ein Sekundärluftkanal mit ringförmigem Querschnitt gebildet ist. Auf diese Weise lässt sich die Abgasströmung vollständig mit dem Sekundärluftkanal ummanteln. Sekundärluft und/oder rückgeführtes Abgas kann allseitig der Abgasströmung zugeführt werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an dem Sekundärluftleitelement Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Durchmischung von Sekundärluft und Abgas.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mit Hilfe des Sekundärluftleitelementes im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt. An der Engstelle ergibt sich eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Abgasströmung, und ein verminderter statischer Druck, so dass Frischluft aus dem Sekundärluftkanal in die Abgasströmung einsaugbar ist.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus der Zeichnung. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Die einzige Figur zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Auslasskanal mit einem , erfindungsgemäßen Strömungsleitelement.
• Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug weist einen Zylinderkopf 1a auf, der gemeinsam mit einem beweglichen Kolben zur Begrenzung eines vorzugsweise zylindrischen Brennraumes 2 in einem Motorblock der Brennkraftmaschine dient. Die Brennkraftmaschine kann nach dem Diesel- oder auch nach dem Otto-Verfahren betrieben werden. In dem Zylinderkopf 1a sind ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas in Form von Verbrennungsluft in den Brennraum hinein sowie ein Auslasskanal 3 zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten aus dem Brennraum heraus vorgesehen. Der Auslasskanal 3 ist dabei von einer Wandung 1b seitens des Zylinderkopfes begrenzt. Ferner ist eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum 2 vorgesehen; dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Einlasskanal- oder ein Direkteinspritzsystem mit entsprechenden Düsen bzw. Injektoren sowie wenigstens einer Fördereinheit (Kraftstoffpumpe). Als Kraftstoff werden vorzugsweise bei Umgebungsbedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzin oder Dieselkraftstoff verwendet.
• In der Figur ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 1a dargestellt, der in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslasskanals 3 verläuft. Darin ist schematisch ein Strömungsleitelement 6 dargestellt.
• Das Strömungsleitelement 6 ist in Form eines Einsatzelements in den Auslasskanal 3 eingesetzt. Das Strömungsleitelement 6 ist als formstabile, an die Kontur des Auslasskanals 3 angepasste Hülse gestaltet, die mehrere, bevorzugt symmetrisch bezüglich der Auslasskanalachse angeordnete Leitschaufeln 6a aufweist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Sekundärluftleitelement 6 nicht als separates Bauteil, sondern einstückig mit dem Zylinderkopf 1 ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind ergänzend oder alternativ mehrere Leitschaufeln einstückig mit dem Zylinderkopf ausgeführt.
• Stromaufwärts des Strömungsleitelementes 6 ist an dem Auslasskanal 3 ein Sekundärluftkanal 4 vorgesehen, über den Sekundärgas in Form von Frischluft, rückgeführtem Abgas, einem Gemisch aus Luft und rückgeführtem Abgas oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas in den Auslasskanal 3 zuführbar ist.
• In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement als zwischen dem Zylinderkopf und einem Auspuffkrümmer eingesetztes Rohrstück ausgeführt, in dem wiederum mehrere Leitschaufeln angeordnet sind.
• In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement einstückig mit einem Auspuffkrümmer Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird dem Sekundärluftkanal 4 mittels einer Pumpe oder einer ähnlichen Fördereinrichtung über die Bohrung 4 in Intervallen oder kontinuierlich Sekundärluft zugeführt. Diese Sekundärluft tritt, wie durch einen Pfeil 5 angedeutet aus dem Sekundärluftkanal 4 aus. Sie wird dann dem den Brennraum 2 verlassenden Abgasstrom beigemischt. Die so gebildete Gemischströmung wird, wie durch Pfeil 7 angedeutet, über das Strömungsleitelement 6 bzw. dessen Leitschaufeln 6a umgelenkt, mit einem Drall versehen und/oder verwirbelt.
• In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Sekundärluftkanal stromabwärts hinter dem Strömungsleitelement mit dem Auslasskanal gekoppelt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel bildet das Strömungsleitelement 6 eine düsenähnliche Engstelle, so dass sich zusätzlich zur Umlenkung ein Beschleunigungseffekt für die Strömung im Strömungsleitelement ergibt. Ebenso gut ist der umgekehrte Ansatz der Bildung einer Erweiterungsstelle zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit am Strömungsleitelement zu verfolgen.
• Die Sekundärluftströmung lässt sich auf die beschriebene Weise mit besonders einfachen Mitteln und besonders effektiv und gezielt mit dem Abgasstrom vermischen. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich teil- oder unverbrannt aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgestoßene Kraftstoffbestandteile mit Hilfe der Sekundärluft nachreagieren, d.h. chemisch umsetzen. Somit werden Kraftstoffemissionen insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine nachreagiert und wirkungsvoll beseitigt. Es ist eine Brennkraftmaschine mit hinsichtlich Kraftstoff- bzw. Kohlenwasserstoffemissionen nennenswert verbessertem Kaltstartverhalten bereitgestellt.

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum (2), dem – ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, – ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie – eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind, wobei – an dem Auslasskanal eine Sekundärgaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Auslasskanal (3) ein Strömungsleitelement (6) angeordnet ist zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal (3) vorliegenden Gasströmung bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) als separates Einsatzelement mit mehreren Leitschaufeln zur Drallerzeugung ausgestaltet ist.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (6) stromab der Sekundärgaszufuhreinrichtung in den Auslasskanal (3) eingesetzt ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Strömungsleitelementes (6) im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt ist.