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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug
mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 196 22 891
C2 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, die eine
Frischluftzuführung
aufweist, die Frischluft einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine
zuführt,
wobei die Frischluftzuführung
einen Luftverteiler enthält,
der die zugeführte
Luft auf einzelne Zylinder bzw. Brennkammern der Brennkraftmaschine
verteilt. Die Brennkraftmaschine weist außerdem eine Abgasabführung auf,
in der die bei der Verbrennung gebildeten Abgase in einem Abgassammler
gesammelt und üblicherweise einer
Abgasreinigungseinrichtung sowie einer Schalldämpfereinrichtung zugeführt werden.
Darüber
hinaus weist die bekannte Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung auf,
mit der Abgas aus der Abgasabführung
in die Frischluftzuführung
einleitbar ist, wobei ein Teilstrom der Abgase stromab des Abgassammlers
abgezweigt und stromauf des Luftverteilers in die Frischluftzuführung eingeleitet
wird. Üblicherweise enthält eine
derartige Abgasrückführung ein
Steuerventil, mit dem die Menge der rückgeführten Abgase regulierbar ist.
Mit Hilfe einer derartigen Abgasrückführung kann der Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine erhöht
und der Schadstoffanteil in den Abgase reduziert werden.
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Bei
einer solchen Brennkraftmaschine tritt das Problem auf, dass sich
im Bereich der Einleitung der rückgeführten Abgase
in die Frischluftzuführung eine
geschichtete Strömung
aus bilden kann, das heißt,
dass in einem Bereich der Frischluftzuführung eine Schicht aus kalter
Frischluft neben einer Schicht aus heißem rückgeführten Abgas strömt. Bei
modernen Verbrennungsmotoren wird die Frischluftzuführung, zumindest
Bestandteile davon, aus Kunststoff hergestellt. Die rückgeführten Abgase
weisen regelmäßig Temperaturen
auf, die die hierbei verwendeten Kunststoffe erweichen oder zum
Schmelzen bringen. Sofern es nach der Einleitung der rückgeführten Abgase
in die Frischluftzuführung
zu der vorstehend beschriebenen Schichtbildung kommt, können die Abgase
eine Verformung oder Zerstörung
der von der heißen
Abgasschicht angeströmten
Kunststoffbauteile der Frischluftzuführung verursachen.
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Aus
der
DE 44 20 247 A1 ist
eine weitere Brennkraftmaschine bekannt, die zusätzlich ein Mischerbauteil aufweist.
Dieses ist mit einer Abgaseinlassöffnung ausgestattet, die an
die Abgasrückführung angeschlossen
ist und durch die Abgas in das Mischerbauteil eintritt. Das Mischerbauteil
weist außerdem
eine Frischlufteinlassöffnung
auf, die an die Frischluftzuführung
angeschlossen ist und durch die Frischluft in das Mischerbauteil
eintritt. Ferner enthält
das Mischerbauteil Mischmittel, die im Mischerbauteil eine Zwangsdurchmischung
der rückgeführten Abgase
mit der zugeführten
Frischluft bewirken. Das bekannte Mischerbauteil weist zusätzlich eine
Luftauslassöffnung
auf, die an die Frischluftzuführung
angeschlossen ist und durch die mit Abgas vermischte Frischluft
aus dem Mischerbauteil austritt. Dabei sind die Mischmittel hier
so ausgestaltet, dass sie eine zylindrische Mischkammer, die von
der Frischluft axial durchströmt
ist, sowie eine Ringkammer aufweisen, die koaxial zur Mischkammer angeordnet
ist und die eine mit der Abgasrückführung kommunizierende
Eintrittsöffnung
sowie zumindest eine mit der Mischkammer kommunizierende radiale Austrittsöffnung aufweist.
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Aus
der
EP 0 886 063 A2 ist
ein Ansaugluftverteiler bekannt, bei dem die Temperaturbeständigkeit
eines aus einem Kunststoff hergestellten Gehäuses dadurch erhöht wird,
dass im Bereich einer Abgaszuführöffnung ein
innenliegendes, aus einem temperaturbeständigen Material bestehendes
Gasführungselement
angeordnet ist. Dieses Gasführungselement
wird innerhalb des Luftverteilers so gehaltert und positioniert,
dass es schützend
zwischen den heißen
Abgasen und Wandbereichen des Kunststoffgehäuses angeordnet ist, wobei
das Gasführungselement
im Luftverteiler so angeordnet wird, dass es einen Abstand zu den
temperaturempfindlichen Wandbereichen aufweist. Dabei wird durch
das Gasführungselement
eine als temperaturunempfindliche Schutzwand, Schutzverkleidung
oder Auskleidung ausgebildete Isolierung gebildet, die in das temperaturempfindliche
Kunststoffgehäuse
des bekannten Luftverteilers zusätzlich
eingesetzt wird, um dadurch den Luftverteiler temperaturunempfindlich
auszubilden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem für
eine Kolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben,
die sich durch einen preis werten Aufbau, eine intensive Durchmischung
und eine kompakte Bauform auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
eine Kolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1
gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die heißen Abgase
so in die relativ kühle Frischluft
einzuleiten, dass sich zwangsläufig
eine Durchmischung der Gase einstellt, wobei diese Durchmischung
derart intensiv erfolgt, dass das resultierende Gasgemisch eine
Temperatur aufweist, die hinreichend niedrig ist, um Verformungen
und Beschädigungen
an Bauteilen der Frischluftzuführung zu
verhindern, die aus einem relativ temperaturempfindlichen Material,
insbesondere aus Kunststoff, hergestellt sind. Aufwendige Isolationsmaßnahmen
der temperaturempfindlichen Bauteile können somit entfallen, wodurch
die Herstellung dieser Teile vereinfacht und preiswerter wird. Das
Mischerbauteil, in dem die intensive Durchmischung der Abgase mit
der Frischluft stattfindet, ist den temperaturempfindlichen Bestandteilen
der Frischluftzuführung
vorgeschaltet, die vor der Beaufschlagung mit heißen Abgase
geschützt
werden sollen. Zweckmäßigerweise
besteht das Mischerbauteil selbst aus einem temperaturbeständigen Material,
wie z.B. aus einem entsprechenden Metall. Wenn die Frischluftzuführung der
Kolbenbrennkraftmaschine eine Luftzuführungsleitung aufweist, die
Luft einem Luftverteiler zuführt,
in dem diese gesammelt und auf mehrere, jeweils einem Zylinder der
Kolbenbrennkraftmaschine zugeordnete Luftleitungen verteilt wird,
ist das Mischerbauteil in der Frischluftzuführung vorzugsweise stromauf
dieses Luftverteilers angeordnet. Durch diese Maßnahme kann der Luftverteiler
im wesentlichen vollständig aus
einem temperaturempfindlichen Material, z.B. Kunststoff, und somit
besonders preiswert hergestellt werden.
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Ferner
enthält
das Mischerbauteil eine zylindrische Mischkammer, die von der Frischluft
axial durchströmt
ist, wobei dann die Mischmittel eine Ringkammer aufweisen, die koaxial
zur Mischkammer angeordnet ist und die eine mit der Abgasrückführung kommunizierende
Eintrittsöffnung,
sowie mindestens eine mit der Mischkammer kommunizierende radiale
Austrittsöffnung
aufweist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich eine radiale
Einströmung
der Abgase in die Frischluftströmung,
wodurch sich eine intensive Durchmischung der Gase ausbildet, so
dass sich innerhalb eines relativ kurzen Strömungsweges die vorgenannte
unschädliche Mischtemperatur
einstellt.
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Erfindungsgemäß ist das
Mischerbauteil durch ein zweiteiliges Gehäuse gebildet. Durch eine derartige
Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, die beiden Gehäuseteile
preiswert als Gussbauteile herzustellen, so dass auch das Mischerbauteil
kostengünstig
herstellbar ist. Die Herstellungskosten können zusätzlich gesenkt werden, wenn
die Gehäuseteile
symmetrisch ausgebildet sind. Außerdem ist das erfindungsgemäße Mischerbauteil
dadurch ausgebildet, dass die vorgenannten Gehäuseteile koaxial zueinander
angeordnet und axial aneinander angebracht sind, dass jedes Gehäuseteil
einen radial äußeren, sich
axial erstreckenden Außensteg
und einen radial inneren, sich axial erstreckenden Innensteg aufweist
und dass bei aneinander angebrachten Gehäuseteilen die Innenstege eine
Innenwand und die Außenstege
eine Außenwand
bilden, wobei die Innenwand die Mischkammer radial außen und
die Ringkammer radial innen begrenzt, während die Außenwand
die Ringkammer radial außen
begrenzt. Durch diese Merkmale kann das eine intensive Durchmischung
ermöglichende
Mischerbauteil besonders einfach hergestellt werden. Außerdem baut ein
derartiges Mischerbauteil mit ineinander angeordneten Kammern relativ
klein.
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Die
Durchmischung der Gase kann zusätzlich
verbessert werden, wenn entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung
die wenigstens eine Austrittsöffnung
als Schlitz ausgebildet ist, der sich in Umfangsrichtung in einer
Ebene erstreckt, die senkrecht zur Achsrichtung der Mischkammer
verläuft. Die
Einströmung
der Abgase in die Frischluft erfolgt dann entlang eines relativ
kleinen durch die Schlitzbreite definierten Axialabschnittes der
Mischkammer, wobei zusätzlich
durch den relativ kleinen Öffnungsquerschnitt
des Schlitzes eine relativ hohe Einströmgeschwindigkeit der Abgase
in die Frischluft bewirkt wird. Die Durchmischung von Abgasen und
Frischluft wird dadurch intensiviert.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenbrennkraftmaschine
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenbrennkraftmaschine,
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2 einen
Querschnitt durch ein Mischerbauteil,
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3 einen
Längsschnitt
durch das Mischerbauteil gemäß
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2 entsprechend
den Schnittlinien III in 2 und
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4 eine
Draufsicht auf das Mischerbauteil gemäß 2 entsprechend
dem Pfeil IV in 2.
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Entsprechend 1 weist
eine erfindungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine 1 einen
Motorblock 2 auf, der für
interne Verbrennungen mehrere Zylinder mit Brennkammern enthält. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Kolbenbrennkraftmaschine 1 als Vierzylinder-Motor
ausgestaltet; die Erfindung ist jedoch ebenso auf Kolbenmotoren
mit mehr oder weniger Zylindern anwendbar.
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Die
Kolbenbrennkraftmaschine 1 weist eine Frischluftzuführung 3 auf,
durch die Frischluft dem Motorblock 2 zur Verbrennung zugeführt wird.
Die Frischluftzuführung 3 umfaßt eine
Luftzuführungsleitung 4,
die vom Motorblock 2 angesaugte Frischluft oder von einem
nicht dargestellten Lader aufgeladene Frischluft einem Luftverteiler 5 zuführt. In
diesem Luftverteiler 5 wird die zugeführte Luft gesammelt und auf
mehrere Luftleitungen 6 verteilt, die jeweils einem Zylinder
bzw. einer Brennkammer des Motorblockes 2 zugeordnet sind
und den zugehörigen
Zylinder bzw. dessen Brennkammer mit Luft versorgen.
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Es
ist klar, daß mit „Luft" ein für die Verbrennung
im Motorblock 2 geeignetes Gasgemisch und lediglich insbesondere
Umgebungsluft bezeichnet wird.
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Die
Kolbenbrennkraftmaschine 1 weist außerdem eine Abgasabführung 7 auf,
die bei der Verbrennung im Motorblock 2 anfallende Abgase
beispielsweise einer nicht dargestellten Abgasreinigungsanlage und
einer Schalldämpfereinrichtung
zuführt.
Die Abgasabführung 7 weist
den einzelnen Zylindern des Motorblockes 2 zugeordnete
Abgasleitungen 8 auf, die in den zugehörigen Zylindern anfallende
Abgase in einen Abgassammler 9 einleiten, von dem aus die
Abgase in eine Abgasabführungsleitung 10 eintreten,
die die Abgase der vorgenannten Abgasreinigungsanlage zuführt.
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Darüber hinaus
weist die Kolbenbrennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführung 11 auf,
mit deren Hilfe Abgase aus der Abgasabführung 7 in die Frischluftzuführung 3 einleitbar
sind. Zu diesem Zweck weist die Abgasrückführung 11 eine Abgasrückführungsleitung 12 auf,
die eingangsseitig an die Abgasabführungsleitung 10 angeschlossen
ist und dort einen Teilstrom der Abgase abzweigt. In der Abgasrückführungsleitung 12 ist
ein Abgasrückführungsventil 13 angeordnet,
das zur Regelung bzw. Steuerung der rückgeführten Abgasmenge dient. Ausgangsseitig
leitet die Abgasrückführungsleitung 12 die
rückgeführten Abgase
in die Frischluftzuführung 3 ein.
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Die
Einleitung der rückgeführten Abgase
in die Frischluftzuführung 3 erfolgt
erfindungsgemäß durch
ein Mischerbauteil 14, das eingangsseitig einerseits an
die Abgasrückführung 11 und
andererseits an die Frischluftzuführung 3 und ausgangs seitig ebenfalls
an die Frischluftzuführung 3 angeschlossen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist das Mischerbauteil 14 in die Frischluftzuführung 3 integriert
und ist zwischen dem Luftverteiler 5 und der Luftzuführungsleitung 4 angeordnet.
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Da
in dem Mischerbauteil 14 durch weiter unten beschriebene
Mischmittel eine intensive Durchmischung der rückgeführten Abgase mit der Frischluft
stattfindet, weist das aus dem Mischerbauteil 14 austretende
Gasgemisch eine Temperatur auf, die so niedrig ist, daß die Bestandteile
der Frischluftzuführung 3 stromab
des Mischerbauteils 14 aus einem temperaturempfindlichen
Material, insbesondere aus einem Kunststoff hergestellt werden können. Beispielsweise
kann somit der Luftverteiler 5 preiswert als Kunststoffspritzgußteil ausgebildet
sein.
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Entsprechend
den 2, 3 und 4 enthält das Mischerbauteil 14 eine
Abgaseinlaßöffnung 15,
die mit einem entsprechenden Flansch 16 an die Abgasrückführungsleitung 12 der
Abgasrückführung 11 anschließbar ist.
Zu diesem Zweck können
im Flansch 16 geeignete Gewindebohrungen 17 enthalten
sein.
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Das
Mischerbauteil 14 weist außerdem eine Frischlufteinlaßöffnung 18 auf,
die an die Luftzuführungsleitung 4 der
Frischluftzuführung 3 anschließbar ist.
Schließlich
besitzt das Mischerbauteil 14 eine Luftauslaßöffnung 19,
die an den Luftverteiler 5 der Frischluftzuführung 3 anschließbar ist.
Für den
Anschluß des
Mischerbauteils 14 an die Frischluftzuführung 3 bzw. an die
Luftzuführungsleitung 4 und
an den Luftverteiler 5 ist das Mischerbauteil 14 mit
geeigneten Bohrungen 20 ausgestattet.
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Die
Frischlufteinlaßöffnung 18 und
die Luftauslaßöffnung 19 münden jeweils
in einer im Mischerbauteil 14 ausgebildeten ersten Kammer 21, die
hier zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet ist
und im folgenden als Mischkammer bezeichnet wird. Die Abgaseinlaßöffnung 15 kommuniziert
mit einer ebenfalls im Mischerbauteil 14 ausgebildeten
zweiten Kammer 22, die hier ringförmig ausgebildet ist und koaxial
zur Mischkammer 21 angeordnet ist. Die zweite Kammer 22 wird
im folgenden als Ringkammer bezeichnet.
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Die
Ringkammer 22 enthält
radial außen eine
mit der Abgaseinlaßöffnung 15 kommunizierende
radiale Eintrittsöffnung 23 sowie
radial innen mehrere, entlang des Umfanges symmetrisch verteilte
radiale Austrittsöffnungen 24,
durch die die Ringkammer 22 mit der Mischkammer 21 kommuniziert.
Die Austrittsöffnungen 24 sind
dabei als Schlitze ausgebildet, die sich entlang einer Querschnittsebene
des Mischerbauteiles 14 erstrecken, die senkrecht auf einer
axialen Erstreckungsrichtung der zylindrischen Mischkammer 21 steht.
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Das
Mischerbauteil 14 wird vorzugsweise durch zwei komplementäre Bauteile
oder Gehäuseteile 25 und 26 gebildet,
die sich preiswert in einem Gußverfahren,
insbesondere in einem Spritzgußverfahren,
vorzugsweise aus Metall herstellen lassen. Die separat herstellbaren
Gehäuseteile 25 und 26 können mit
komplementären
Absätzen
bei 27 einen Formschluß ausbilden.
Ebenso können
die beiden Gehäuseteile 25 und 26 identisch
ausgebildet sein. Im übrigen
werden die beiden Gehäuseteile 25 und 26 vorzugsweise
durch eine Schweißverbindung
aneinander befestigt.
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Jedes
der Gehäuseteile 25 und 26 weist
einen radial äußeren, sich
in axialer Richtung erstreckenden Außensteg 28 sowie einen
radial innenliegenden, sich axial erstreckenden Innensteg 29 auf. Wenn
die beiden Gehäuseteile 25 und 26 zur
Ausbildung des Mischerbauteiles 14 aneinander angebracht
sind, grenzen die Außenstege 28 und
die Innenstege 29 beider Gehäuseteile 25, 26 stirnseitig aneinander
und bilden eine Innenwand 30 bzw. eine Außenwand 31.
die Innenwand 30 begrenzt dabei die Mischkammer 21 radial
außen
und die Ringkammer 22 radial innen, während die Außenwand 31 die Ringkammer 22 radial
außen
begrenzt.
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Das
Mischerbauteil 14 der erfindungsgemäßen Kolbenbrennkraftmaschine 1 arbeitet
wie folgt:
Die Mischkammer 21 wird von der durch die
Luftzuführungsleitung 4 zugeführten Frischluft
axial durchströmt.
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Wenn
eine Abgasrückführung durchgeführt wird,
tritt heißes
Abgas aus der Abgasrückführungsleitung 12 durch
die Abgaseinlaßöffnung 15 und
die Eintrittsöffnung 23 in
die Ringkammer 22 ein. Das heiße Abgas verteilt sich innerhalb
der Ringkammer 22 und kann durch die schlitzartigen Austrittsöffnungen 24 radial
nach innen in die Mischkammer 21 einströmen. Aufgrund der Schlitzform
der Austrittsöffnungen 24 stellt
sich dabei eine relativ große
Einströmgeschwindigkeiten.
Außerdem
erfolgt der Eintritt der Abgase in die Mischkammer 21 entlang
eines relativ kleinen, durch die Schlitzbreite der Austrittsöffnungen 24 definierten
Axialabschnittes der Mischkammer 21.
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Aufgrund
der in der Mischkammer 21 im Mündungsbereich der Austrittsöffnungen 24 senkrecht
zueinander verlaufenden Richtungen der Abgasströmung und der Frischluftströmung ergibt
sich eine starke Durchmischung der heißen Abgase mit der kühleren Frischluft.
Diese Durchmischung wird dabei durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase zusätzlich
intensiviert. Über
die Ausgestaltung der kommunizierenden Verbindung zwischen der Ringkammer 22 und
der Mischkammer 21 wird somit eine Zwangsdurchmischung
der Abgase mit der Frischluft ausgebildet.
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Die
Ausbildung einer geschichteten Strömung, bei der heiße Abgase
und kühlere
Frischluft parallel aus der Luftauslaßöffnung 19 austreten,
wird beim Mischerbauteil 14 somit effektiv verhindert.
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Die
aus der Luftauslaßöffnung 19 austretende,
mit den Abgasen vermischte Frischluft weist aufgrund der Durchmischung
eine für
stromab des Mischerbauteils 14 angeordnete temperaturempfindliche
Bauteile ungefährliche
Temperatur auf. Daher können
zusätzliche
Isolationsmaßnahmen
bei den stromab an das Mischerbauteil 14 angeschlossenen Bauteilen,
insbesondere für
den Luftverteiler 5, entfallen. Das als separates Bauteil
herstellbare Mischerbauteil 14 kann selbst preiswert hergestellt werden,
so daß sich
durch die Einsparung von zusätzlichen
Isolierungen insgesamt ein Preisvorteil für die erfindungsgemäße Kolbenbrennkraftmaschine 1 ergibt.
Die vorstehend genannten, im Mischerbauteil 14 enthaltenen
Mischmittel werden bei der Ausführungsform
entsprechend den 2, 3 und 4 durch
die beiden Kammern 21 und 22 und deren besondere
kommunizierende Verbindung miteinander bzw. deren spezielle Anordnung
zueinander gebildet.