DE3011580C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer durch die DE-OS 25 14 416 bekannten Einrichtung dieser Art wird Luft oder Abgas zusammen mit Kraftstoff-Luftgemisch während eines ersten Teils des Ansaugtaktes dem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführt. Während des zweiten Teils des Ansaugtakts wird dann nur noch Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt, das somit relativ fetter ist und eine höhere Zünd­ fähigkeit aufweist. Es soll damit eine Schichtung der Ladung im Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht werden, damit an der Zündstelle ein besser zündfähiges Gemisch im Augenblick der Zündung vorliegt. Die bekannte Einrichtung hat zum Ziel, eine Brennkraftmaschine mit einem relativ mageren Gesamtgemisch zu betreiben. Die Zusatzluft wird bei der bekannten Einrichtung jedoch über einen engen Schlitz in den Ansaugkanal eingeführt wobei der Schlitz die Aufgabe hat, dem zuströmenden Medium im Augenblick des Eintretens in das Ansaugrohr Schallgeschwindig­ keit zu verleihen, was zu einer guten Durchmischung mit dem zuströmenden Kraftstoff-Luftgemisch führen soll. Da dieser mit Zusatzluft stark abgemagerte und damit weniger zündfähige bzw. durch Beimischung von Abgas ebenfalls in der Zündfähigkeit geminderte Teil der Ladung aber ebenfalls verbrannt werden soll, wird der Beifügung von Abgasrückständen enge Grenzen gesetzt. Die schlitzförmige Ausgestaltung des Zuführquerschnitts bedingt ferner, daß mit steigendem Durchsatz oder mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine die Menge des Zusatzmediums abnimmt. Auch der mit Annäherung an den Vollastbetrieb steigende Absolutdruck im Saugrohr vermindert die Förderung des Zusatzmediums. Das mag im Sinne der völligen Ausnutzung der eingebrachten Ladung bei Vollast­ betrieb auch wünschenswert sein, doch vermindert es auch in den übrigen Lastbereichen die Möglichkeit, die Abgasemission durch hohe Abgasrückführraten zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, bei der eine genaue Dosie­ rung von Abgasrückführmengen in allen Lastbereichen der Brennkraft­ maschine möglich ist und eine hohe Abgasrückführrate bei Einhaltung einer guten Zündfähigkeit des den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches und bei hohem Brennraum­ füllungsgrad eine gute Kraftstoffausnützung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Diese Lösung hat dem Bekannten gegenüber den Vorteil, daß vor dem Öffnen des Einlaßventils in den sich unmittelbar stromauf­ wärts davon anschließenden Teilen des Ansaugkanals die gewünschte Abgasrückführmenge vorgelagert wird und während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine zuerst und ausschließlich angesaugt wird. Erst nach Einbringen dieser dosierten Abgasmenge wird Frischluft ange­ saugt, der der Kraftstoff beigefügt wird. Auf diese Weise kann die Laststeuerung der Brennkraftmaschine statt durch Drosselung der Ansaugluft bzw. des Ansauggemisches durch Änderung des Verhältnisses von den Ladungsanteilen Kraftstoff und Luft zu den Ladungsanteilen von rückgeführtem Abgas durchgeführt werden. Damit werden vorteil­ haft die Drosselverluste der Brennkraftmaschine gesenkt und die Füllung bei gleicher Kraftstoff- bzw. Energiezufuhr verbessert.

Dadurch, daß zuerst das Abgas in den Brennraum eingebracht wird, gelingt eine Schichtung des Ballaststoffes Abgas gegen­ über der Frischluft und dem Kraftstoff, was an der Zündstelle ein gut zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zündzeitpunkt ergibt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch beanspruchten Einrichtung möglich.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer gesteuerten Abgasrückführung über ein im Ansaugkanal angeordnetes Rohr mit ringförmigem Querschnitt,

Fig. 2 ein Steuerdiagramm des in der Abgasrückführleitung vorgesehenen Durchlaßsteuerorgans und

Fig. 3 die Arbeitsfolge Ansaugbeginn und Ansaugende bei einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Kraftstoffeinspritzung in eine Zündkammer.

In Fig. 1 sind die für die Erfindung wesentlichen Teile einer Brennkraftmaschine im Schnitt dargestellt. Es wird dabei ein Teil eines Kolbens 1 gezeigt, der im Zylinder einer Brennkraft­ maschine einen Brennraum 2 einschließt. Dieser weist eine Zündkerze auf und wird über ein Einlaßventil 7 mit Betriebs­ gemisch versorgt. Ein Auslaßventil 8 verbindet den Brennraum 2 mit dem nur angedeuteten Abgassystem 9. Von dort führt eine Abgasrückführleitung 10 ab, in der eine Drosseleinrichtung zur Veränderung des freien Querschnitts der Abgasrückführleitung in Form einer Abgasdrosselklappe 12 angeordnet ist. Stromabwärts dieser Abgasdrosselklappe ist ein Abgassammelbehälter 14 einge­ schaltet, von dem eine Teilleitung 15 der Abgasrückführleitung zu einem Ansaugkanal 16 des Ansaugsystems 17 führt. Der Ansaug­ kanal 16 zweigt von einem Ansaugverteiler 18 ab und führt direkt zum Einlaßventil 7. Für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine ist ein Ansaugkanal 16 und eine Teilleitung 15 der Abgasrück­ führleitung vorgesehen. Die Luftzufuhr bzw. in anderer Ausge­ staltung die Kraftstoff-Luft-Gemischzufuhr zum Ansaugverteiler 18 erfolgt in üblicher Weise über ein Saugrohr 20, in dem eine Hauptdrosselklappe 21 in üblicher Ausgestaltung angeordnet ist.

In der Teilleitung 15 ist ein als Durchlaßsteuerorgan dienender Drehschieber 22 angeordnet, der synchron zur Brennkraftmaschinen­ drehzahl angetrieben wird und je nach Steuertakt den Quer­ schnitt der Teilleitung 15 freigibt oder verschließt. Das Durchlaßsteuerorgan muß jedoch nicht unbedingt ein Drehschieber sein, sondern kann auch eine andere geeignete Ausgestaltung aufweisen, wie z. B. ein durch Nocken oder Magnet gesteuertes Ventil. An der Einmündungsstelle der Teilleitung 15 in den Ansaugkanal 16 ist dort konzentrisch ein Führungsrohr 23 eingesetzt, wobei der Durchmesser des Ansaugkanals ab dem strom­ aufwärtsseitigen Ende des Führungsrohrs 23, das dort mit der Wand des Ansaugkanals fest verbunden ist. im Durchmesser vergrößert ist, so daß sich zwischen dem Außenmantel des Führungsrohrs und der Wand des Ansaugkanals 16 ein Kanal 24 von ringförmigem Querschnitt bildet. In diesen Ringkanal mündet nun die Teilleitung 15. Das Führungsrohr 23 endet kurz vor dem Einlaßventil 7 und weist dort eine Ausnehmung 25 auf, durch die der Hals eines Kraftstoff-Einspritzventils 27 in den Ansaugkanal 16 ragt. Im Bereich dieses stromabwärts liegenden Endes des Führungsrohrs kann dieses Stützrippen 28 aufweisen, die die koaxiale Lage des Führungsrohres 23 sichern.

Das Kraftstoffeinspritzventil 27 ist so angeordnet, daß die aus seinen Düsenöffnungen 29 austretenden Kraftstoffstrahlen bei geöffnetem Einspritzventil 7 vor einem Ventilteller vorbei durch den freien Ringspalt direkt in den Brennraum 2 gelangen.

Anhand des Diagramms gemäß Fig. 2 soll nun die Arbeitsweise der oben beschriebenen Einrichtung erläutert werden. In Fig. 2 sind zweimal die vier Arbeitstakte einer Viertakt-Brennkraft­ maschine aufgezeigt mit Kurbelwellendrehwinkeln von 0-1440 Grad für einen der Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine. Auf der Linie a sind dabei die Ventilerhebungskurven des Einlaßventils 7 aufgetragen jeweils während des Ansaugtaktes zwischen etwa 360 Grad und 540 Grad bzw. 1080 Grad und 1260 Grad (III). Darunter sind auf der Linie b die Steuerzeiten des Drehschiebers 22 in entsprechender Zuordnung aufgetragen. Man erkennt, daß der Drehschieber 22 so gesteuert wird, daß die Zeiten, in denen er den Querschnitt der Teilleitung 15 öffnet, zwischen den Öffnungs­ zeiten des Einlaßventils 7 liegen. Seine Öffnungszeit A ist dabei so bemessen, daß die Teilleitung der Abgasrückführleitung mit Sicherheit geschlossen ist, wenn das Einlaßventil 7 sich zu öffnen beginnt. Das bedeutet, daß während der Öffnungszeit A des Dreh­ schiebers Abgas in einer durch die Stellung der Abgasdrosselklappe 12 im wesentlichen bestimmten Menge in den Ansaugkanal 16 gelangen kann. Das Führungsrohr 23 gewährleistet dabei, daß das rückgeführte Abgas in unmittelbarer Nähe des Einlaßventils 7 gelangt und von dort aus über die Zeit der Öffnung des Dreh­ schiebers 22 den Ansaugkanal mit einer vorgesehenen Menge auffüllt, so daß vor dem Einlaßventil ausschließlich Abgas vorge­ lagert ist. Wird nun mit Beginn des Ansaugtaktes das Einlaß­ ventil geöffnet, so gelangt das vorgelagerte Abgas zuerst in den Brennraum 2 und lagert sich dabei über den Kolbenboden ab. Dem vorgelagerten Abgas folgend, wird daraufhin Frischluft zugeführt, dem während des letzten Teils des Ansaugtaktes durch Einspritzung über das Kraftstoffeinspritzventil Kraftstoff zuge­ geben wird. Am Ende des Ansaugtaktes liegt somit eine Schichtung vor, mit Abgas unmittelbar über dem Kolbenboden und einem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch von zündfähiger Qualität im Bereich der Zündkerze 6.

Durch diese Schichtung wird erzielt, daß am Ende des nach­ folgenden Kompressionstaktes ein vom eingebrachten Abgas im wesentlichen unbeeinflußtes, zündfähiges Kraftstoff-Luft- Gemisch an der Zündkerze vorliegt. Auf diese Weise können relativ große Abgasrückführraten erzielt werden, bei denen sonst bei homogener Durchmischung eine Zündung kaum mehr möglich wäre. Die im Ansaugkanal 16 vorgelagerte Abgasrückführmenge ist bei festgesetzten Steuerzeiten des Drehschiebers 22 abhängig von den Drücken im Ansaugkanal 16 und in der Abgasrückführleitung 10. Eine Beeinflussung kann einmal über die Abgasdrosselklappe 12 und zum anderen über die Hauptdrosselklappe 21 erfolgen. Die Dauer der im Steuerdiagramm gemäß Fig. 2 mit B angegebenen Ansaug­ zeiten, bei denen ausschließlich das vorgelagerte Abgas angesaugt wird, ist von der Menge des vorgelagerten Abgases abhängig. Sie ist begrenzt durch die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Dauer der Einspritzung von Kraftstoff, wofür gemäß Diagramm die Zeit C benötigt wird. Da durch den freien Ringspalt am Einlaßventil 7 eingespritzt werden muß, ist das Ende dieser Einspritzzeit fixiert. Wie lange vor Schließen des Einlaßventils eingespritzt wird, hängt von der Ausgestaltung der Einspritzdüse und von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ab. Es sollte sichergestellt werden, daß der Kraftstoff ausschließlich in die angesaugte Frischluft eingespritzt wird.

Mit der beschriebenen Ausgestaltung und Steuerung der Abgasrück­ führmenge ist es möglich, im wesentlichen durch die Dosierung der Abgasrückführmenge die Laststeuerung der Brennkraftmaschine durch­ zuführen, so daß bei gutem Füllungsgrad die Verluste durch Drosselung der Ansaugluft verringert werden und eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades erreicht wird.

Mit der guten Füllung erhält man einen hohen Kompressionsdruck und eine hohe Temperatur des zu entzündenden Gemisches, wodurch dessen Zündfähigkeit gesteigert wird. Das lokalstöchiometrische Kraftstoff-Luft-Gemisch bietet trotz "magerer" Gesamtgemischzu­ sammensetzung günstige Entflammungs- und Durchbrennbedingungen. Die damit verbundene zusätzliche Wirkungsgradsteigerung führt ebenfalls zur Verbrauchssenkung. Insbesondere bei Teillast wird der eigentliche Brennbereich im Brennraum durch den hohen Abgasrückführanteil verkleinert, so daß die Verluste kleingehalten werden. Weiterhin wird durch die Abgasrückführung der NO _x - Emissionsanteil gering gehalten.

Wenn auch die direkte Kraftstoff-Einspritzung in den letzten Teilen der Frischluftladung die Bedingungen zur Erzielung eines stöchiometrischen, zündfähigen Gemisches in Zündkerzennähe stark verbessert werden, ist es auch möglich, den Kraftstoff in anderer Weise bei gleichem Prinzip für die Schichtung von Abgasrückführ­ mengen zuzuführen. Dies kann einerseits in konventioneller Weise durch Kraftstoffzufuhr im Ansaugsystem stromaufwärts der vorgelagerten Abgasmenge oder aber auch durch Kraftstoffzufuhr in eine Zündkammer 31 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erfolgen. Solche Zündkammern sind an sich bekannt und weisen bei gemischver­ dichtenden Brennkraftmaschinen in dieser Zündkammer eine Zündkerze 6′ auf. In solche Zündkammern kann entweder der Kraftstoff direkt mit Hilfe eines Einspritzventils 32 eingespritzt werden oder über einen getrennten Gemischerzeuger in Form eines fetten Kraftstoff- Luft-Gemisches durch geeignete Steuermittel zugeführt werden. Die Zündkammer ist dabei mit einem oder mehreren Überströmkanälen 33 mit dem Hauptbrennraum 2 der Brennkraftmaschine verbunden.

Auch diese Kraftstoffzufuhr in die Zündkammer kann während des zweiten Teils des Ansaugtaktes erfolgen, so daß es zu einer Trennung von dem Ladungsanteil Abgas und dem Ladungsanteil Kraftstoff- Luft-Gemisch kommt. In der Darstellung A von Fig. 3 ist dabei gezeigt, wie über die Teilleitung 15′ dem Ansaugkanal 16′ gesteuert durch den Drehschieber 22′ Abgas zugeführt wird und stromaufwärts des Einlaßventils 7′ vorgelagert wird. Der Kolben 1′ befindet sich dabei in seiner oberen Ausgangs­ stellung. Die Darstellung B von Fig. 3 zeigt danach den Zustand, wenn sich der Kolben 1′ in seiner unteren Extremstellung befindet, wobei durch Kreuze die Schichtung des zugemessenen Abgases über dem Kolbenboden dargestellt ist.

Verbunden mit einer geeigneten Brennraumgestaltung kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine wesentliche Erhöhung der Abgasrückführrate gegenüber herkömmlichen Systemen erzielt werden. Insbesondere bei gemischansaugenden und fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ergeben sich geringe Ansaugdrosselverluste und damit eine Abnahme des Kraftstoffverbrauchs besonders im Teillastgebiet. Allgemein wird bei solchermaßen betriebenen Brennkraft­ maschinen die Schadstoffemission durch die höhere Rückführ­ rate gesenkt.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Betriebsgemischversorgung von Brennkraft­ maschinen mit einer Abgasrückführleitung, die stromaufwärts des Brennraumeinlaßventils in den diesen zugeordneten Ansaugkanal führt und eine Drosseleinrichtung zur Veränderung des Querschnitts der Abgasrückführleitung sowie ein synchron zur Kurbelwellendrehung der Brennkraftmaschine gesteuertes Durchlaßsteuerorgan enthält, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Durchlaßsteuerorgan (22) so gesteuert ist, daß die Verbindung zum Ansaugkanal (16) nur innerhalb des Zeitraumes geöffnet ist, in dem das Einlaßventil (7) geschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugen von im Ansaugkanal (16) vorgelagertem Abgas in dem Brennraum (2) während eines ersten Teils des Ansaug­ taktes und das Einbringen von Luft oder Kraftstoff und Luft während eines zweiten Teils des Ansaugtaktes erfolgt, wobei die Menge des vorgelagerten Abgases den Ansaugbeginn von Luft bestimmt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in die zum Einlaßventil (7) strömende Luft zeitlich gesteuert mit Hilfe eines Kraftstoffeinspritz­ ventils (27) zugeführt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (27) so in den Ansaugkanal (16) angeordnet und ausgebildet ist, daß der einzuspritzende Kraftstoff an dem das geöffnete Einlaßventil (7) umgebenden Ringspalt vorbei unmittelbar in den Brennraum (2) der Brennkraftmaschine gelangt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in eine von der oberen Brennraumhälfte abführende Zündkammer (31) eingespritzt wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführleitung (10, 15) in einen in den Ansaugkanal (16) mündenden Kanal (24) mit ringförmigem Querschnitt mündet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugkanal (16) ein koaxial zum Ansaugkanal ver­ laufendes Führungsrohr (23) angeordnet ist, zwischen dessen Außenmantel und der Wand des Ansaugkanals der Kanal (24) mit ringförmigem Querschnitt gebildet wird, wobei das stromauf­ wärts liegende Ende des Führungsrohrs am Außenumfang fest mit dem Ansaugkanal verbunden ist.