DE4412280A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, deren Gaszufuhr steuerbar ist. Sie weist die im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.

Bekannt sind Brennkraftmaschinen dieser Art beispiels­ weise aus der DE-PS 38 28 742. Ein Haupteinlaßkanal zu jeder Brennkammer ist verzweigt in mehrere Einlaßkanalab­ schnitte und endet im Bereich mehrerer Einlaßventile. Es ist zumindest ein Auslaßventil zu einem Auslaßkanal vor­ handen. Ein Abgasrückführkanal hat einen Einlaß im Aus­ laßkanal und einen Auslaß in einem Einlaßkanalabschnitt, der gesondert drosselbar ist. Durch die Drosselung des Gasstromes in dem Einlaßkanalabschnitt soll ein Totvolu­ men vor dem zugehörigen Einlaßventil und eine Gasschich­ tung in der Brennkammer erreicht werden. Das Abgas wird in das Totvolumen zwischen einem Steuerelement (Durch­ flußsteuerventil) und einem Einlaßventil geleitet. Dort vermischt es sich mit Kraftstoff-Frischgas. Insgesamt soll diese Bauweise das Beschleunigungsansprechverhalten verbessern sowie den Kraftstoffverbrauch und Schadstoff­ bestandteile verringern. Zur Steuerung des zurückzufüh­ renden Abgasstromes ist ein Abgasrückführventil vorgese­ hen. Für einen wunschgemäßen Gaseinlaß in die Brennkammer sind das Steuerelement für Frischgas sowie das Abgasrück­ führventil zu betätigen. Diese Bauelemente bilden auch in den geöffneten Kanälen Strömungswiderstände und unterlie­ gen dem Verschleiß. Eine teilweise Öffnung des Steuerele­ mentes (Durchflußsteuerventil) beeinflußt die Strömungs- und Druckverhältnisse im Einlaßkanalabschnitt stark. Die Druckverhältnisse im Bereich des Auslasses des Abgasrück­ führkanales sind damit nahezu undefiniert, was sich auf die zurückgeführte Abgasmenge auswirkt. Daher ist nur eine Offen- und eine Zu-Stellung des Steuerelementes vor­ gesehen und die Möglichkeiten der Steuerung der Gaszufuhr sind begrenzt.

Mit dem Problem der Abgas-Frischluft-Schichtung befaßt sich auch die DE-PS 30 11 580. Hier ist neben dem Abgas­ rückführventil noch ein Durchflußsteuerorgan in dem Ab­ gasrückführkanal vorgesehen. Das Durchflußsteuerorgan ar­ beitet synchron zur Brennkraftmaschinendrehzahl und soll Abgas nur bei geschlossenem Einlaßventil in die Einlaßka­ nal leiten. Die Möglichkeiten der Variation der Ladungs­ schichtung sind stark begrenzt.

Die DE-OS 30 06 767 befaßt sich mit dem Problem der elek­ tronischen Steuerung von Abgasrückführventilen. In Abhän­ gigkeit von Betriebskennwerten der Brennkraftmaschine werden Abgasrückführdurchsatzwerte aus einer zweidimen­ sionalen Tabelle in einem Speicher entnommen und als Steuergrößen verwendet.

In der DE-OS . . . (Patentanmeldung P 43 08 805.8) ist ein sehr vorteilhaft gestaltetes Einlaßkanalsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Gleiches gilt auch für die DE-OS . . . (Patentanmeldung P 43 17 433.7). In beiden Fällen finden Walzendrehschieber zur Steuerung des Frischgasstromes zu zwei Einlaßventilen Anwendung. Die Verwendung von Walzendrehschiebern zur Drosselung des Gasstromes in einem Einlaßkanalabschnitt ist mit wesent­ lichen Vorteilen verbunden. Das Problem der Abgasrückfüh­ rung wird in diesen Schriften jedoch nicht angesprochen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gaszufuhr zu Brennräumen einer Brennkraftmaschine mit geringem Auf­ wand derart beeinflußbar zu machen, daß sowohl die Zufuhr von Frischgas als auch die Zufuhr von Abgas steuerbar ist und so positive Effekte bezüglich der Gasschichtung und der Gasverwirbelung im Brennraum sowie der Abgasemission erreichbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Brennkraftma­ schine durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 13.

Einem Brennraum der Brennkraftmaschine wird Gas über zwei Einlaßventile zugeführt, die sich am Ende von Einlaßka­ nalabschnitten oder zweier separater Einlaßkanäle befin­ den. Diese Kanalabschnitte können unterschiedlich geformt sein und stehen mit einem Haupteinlaßkanal in Verbindung, wie dies bekannt ist. Das Abgas wird durch zumindest ein Auslaßventil und einen Auslaßkanal abgeleitet.

Der Gasvolumenstrom in einem Einlaßkanalabschnitt ist durch ein Steuerelement drosselbar. Dadurch werden auch die Strömungsverhältnisse in der Brennkammer beeinflußt. Im Bereich des Steuerelementes endet ein Abgasrückführ­ kanal. Sein Auslaß im drosselbaren Einlaßkanalabschnitt ist durch das genannte Steuerelement freigeb- bzw. ver­ schließbar. Somit ist nur ein Steuerelement zur Drosse­ lung des Frischgas- und des Abgasvolumenstromes erforder­ lich. Strömungswiderstände sind gering und es werden im Vergleich zu eingangs beschriebenen Lösungen Bauelemente eingespart. Zusätzlich ist es jetzt möglich, funktionelle Vorteile zu erreichen, in dem die Kombinations- und die Variationsmöglichkeiten erweitert werden. Da der Auslaß des Abgasrückführkanales in dem drosselbaren Einlaßkanal­ abschnitt angeordnet ist, ist bei geöffnetem Einlaßventil ein relativ hohes Druckgefälle zwischen dem Auslaßkanal und dem Auslaß des Abgasrückführkanales gegeben und die Abgasrückführung ist auch bei hohen Motorlasten möglich.

Als Steuerelement zur Drosselung sowohl des Frischgas- als auch des rückgeführten Abgasvolumenstromes kommt vor­ zugsweise ein Walzendrehschieber in Betracht, aber auch Drosselklappen sind in abgeänderter Form einsetzbar.

Die Abgasrückführkanäle verlaufen im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine. Dort kann eine Kühlung mit geringem Aufwand erfolgen, wobei dies auch gesteuert vorgenommen werden kann. Aufgrund der hohen Temperaturen des Abgases ist es ratsam, das Steuerelement aus temperaturbeständi­ gem Metall- bzw. Keramikwerkstoff zu fertigen.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an­ hand von Ausführungsbeispielen. In den zugehörigen Zeich­ nungen zeigt:

Fig. 1 einen Gaswechselbereich eines Zylinder­ kopfes einer Brennkraftmaschine in ge­ schnittener Darstellungsweise;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößer­ tem Maßstab;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Posi­ tion des Walzendrehschiebers zur Verdeut­ lichung seiner Funktionsweise;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung bei schematischer Darstellung ei­ nes Ausschnittes eines Zylinderkopfes.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ausschnittsweise einen Zylin­ derkopf einer Brennkraftmaschine, welche eine oder meh­ rere Brennkammern aufweisen kann. Ein Haupteinlaßkanal 1 für die Zuführung von Frischgas zur Brennkammer ist in zwei Einlaßkanalabschnitte unterteilt, wobei nur ein Ein­ laßkanalabschnitt 2 gezeigt ist. Beide Einlaßkanalab­ schnitte 2 enden im Bereich jeweils eines Einlaßventil­ sitzes. Einlaßventile 3 öffnen oder verschließen die Brennkammer wie dies bekannt ist. Ein Auslaßkanal 4 wird durch zumindest ein Auslaßventil 5 gesteuert geöffnet oder verschlossen. Im Zylinderkopf ist ein Abgasrückführ­ kanal 6 vorgesehen, der einen Einlaß 7 im Auslaßkanal 4 und einen Auslaß 8 (nur in Fig. 3 verdeutlicht) im Ein­ laßkanalabschnitt 2 hat. Somit kann Abgas in den Einlaß­ kanalabschnitt 2 zurückgeführt werden.

Ein Walzendrehschieber 9 ist derart im Zylinderkopf gela­ gert, daß eine Zylinderachse 10 etwa koaxial zu dem Ein­ laßventil 3 gelegen ist. Die Umfangswandung des Walzen­ drehschiebers 9 schneidet den Einlaßkanalabschnitt 2, wo­ bei aber ein radiales Fenster 11 im Walzendrehschieber 9 vorgesehen ist, durch die zugeführtes Frischgas hindurch­ treten kann. Im Bereich des Einlaßventilsitzes hat der Walzendrehschieber 9 eine axiale Öffnung 12.

Der Walzendrehschieber 9 ist um seine Zylinderachse 10 gesteuert verdrehbar. Dazu sind eine Steuervorrichtung 13 und eine Stellvorrichtung 14 vorgesehen. Die Steuervor­ richtung 13 wird vorzugsweise von einem Mikrorechner ge­ bildet, dem Betriebskennwerte der Brennkraftmaschine bzw. eines Kraftfahrzeugs als Eingangsgrößen zugeführt werden. Diese Betriebskennwerte können beispielsweise die Motor­ drehzahl n, die zeitliche Änderung der Motordrehzahl dn/dt, die Drosselklappenstellung α_DK, die zeitliche Än­ derung des Drosselklappenwinkels dα_DK/dt, der Luftmassen­ strom _Luft oder auch ein Kennwert für die Laufunruhe LU des Motors sein. Die Kennwerte werden in der Steuervor­ richtung 13 sinnvoll verarbeitet und eine Steuergröße wird ständig aktualisiert und an die Stellvorrichtung 14 weitergeleitet. Im Ausführungsbeispiel treibt ein Stell­ motor eine Zahnstange 15 translatorisch an, wobei die Zahnstange 15 in Antriebsverbindung mit zumindest dem ge­ zeigten Walzendrehschieber 9 steht. Eine Translation der Zahnstange 15 bewirkt damit das Verdrehen des Walzendreh­ schiebers 9 um seine Zylinderachse 10. Somit ändert sich auch die Position des Fensters 11 im Einlaßkanalabschnitt 2 und relativ zum Auslaß 8 des Abgasrückführkanales 6. Der Walzendrehschieber 9 kann als Steuerelement 9 für den durch den Einlaßkanalabschnitt 2 strömenden Frischgasvo­ lumenstrom als auch für den Abgasvolumenstrom dienen. Je nach Ausgestaltung des Fensters 11 und Position des Wal­ zendrehschiebers 9 werden der Einlaßkanalabschnitt 2 und der Auslaß 8 des Abgasrückführkanales 6 ganz oder teil­ weise geöffnet bzw. verschlossen. Von Rändern des Fen­ sters 11 werden Steuerkanten 16, 17 gebildet. Die Winkel­ position der Steuerkanten 16, 17 (ausgehend von der Zy­ linderachse 10) ist ausschlaggebend für die Drosselwir­ kung des Walzendrehschiebers 9. Neben Zwischenstellungen sind folgenden Positionen einstellbar:

• - Einlaßkanalabschnitt 2 zum Einlaßventil 3 hin ganz auf, Auslaß 8 des Abgasrückführkanales 6 zu;
• - Einlaßkanalabschnitt 2 ganz auf, Auslaß 8 ganz auf;
• - Einlaßkanalabschnitt 2 zu, Auslaß 8 ganz auf;
• - Einlaßkanalabschnitt 2 zu, Auslaß 8 zu.

Das Fenster 11 des Walzendrehschiebers 9 kann also ganz oder teilweise von Wandungen 18 des Zylinderkopfes abge­ deckt und damit abgedichtet werden. Wie dies bereits be­ kannt ist, kann so der Frischgasstrom im Einlaßkanalab­ schnitt 2 (Nebeneinlaßkanal) gedrosselt werden. Zusätz­ lich ist es jetzt möglich, durch ein und denselben Wal­ zendrehschieber 9 auch den rückzuführenden Abgasstrom zu drosseln. Das zugrundeliegende Wirkprinzip ist in Fig. 3 schematisch verdeutlicht.

Das Fenster 11 des Walzendrehschiebers 9 ist größer als die vom Walzendrehschieber 9 geschnittene Querschnitts­ fläche des Einlaßkanalabschnittes 2. So ist es möglich, ohne den Frischgasstrom zu drosseln, das zurückzuführende Abgas zu dosieren, in dem die Steuerkante 16 über den Auslaß 8 verdreht wird, bis dieser ggf. ganz frei ist. Bei weiterem Verdrehen des Walzendrehschiebers 9 bewegt sich die Steuerkante 17 in den Einlaßkanalabschnitt 2 und der Frischgasstrom wird gedrosselt, wobei der Auslaß 8 des Abgasrückführkanales 6 unverändert frei bleibt. Die Verdrehung des Walzendrehschiebers 9 kann soweit erfol­ gen, bis sowohl der Einlaßkanalabschnitt 2 als auch der Auslaß 8 von den Wandungen des Walzendrehschiebers 9 ver­ schlossen ist. Somit ist die zuzuführende Frischluft ge­ nau bedarfsabhängig zu steuern, was im vorliegenden Fall Auswirkungen auf die Gasverteilung in der Brennkammer hat. Des weiteren kann in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen eine angemessene, möglichst große Ab­ gasmenge zurück in die Brennkammer geleitet werden. Beide Steuerungsvorgänge werden bei Einsatz nur weniger beweg­ licher Bauteile erreicht, wodurch Kostenvorteile erzielt werden und ein günstiges Verschleißverhalten zu erwarten ist. Durch die gesteuerte Abgasrückführung sind auch Pro­ bleme beherrschbar, die sich bei hohen Motorlasten hin­ sichtlich der Geräuschemission und des Klopfverhaltens ergeben.

Es sind diverse Abwandlungen des beschriebenen Walzen­ drehschiebers 9 ausführbar. Diese sollen nur andeutungs­ weise genannt werden. Variationen bei der Größe des Fen­ sters 11 führen zu funktionellen Änderungen. Wird das Fenster kleiner als in Fig. 3 gezeigt ausgebildet, wird der Frischgasstrom bereits während der Öffnung des Aus­ lasses 8 gedrosselt, was sinnvoll sein kann. Es können mehrere radiale Fenster in der Umfangswandung des Walzen­ drehschiebers angeordnet werden, wobei beispielsweise ein Fenster ausschließlich zum Durchlaß von Frischgas und ein Fenster ausschließlich zum Durchlaß von Abgas vorgesehen ist. Der Abgasrückführkanal 6 kann mehrere Auslässe im Bereich des Steuerelementes 9 (Walzendrehschieber 9) auf­ weisen, die sich in verschiedenen Winkelpositionen rela­ tiv zum Einlaßkanalabschnitt 2 befinden. Durch diese bei­ spielhaft genannten Möglichkeiten können viele Mischungs­ verhältnisse zwischen Frisch- und Abgas eingestellt wer­ den, wobei zusätzlich die Gasmenge regulierbar ist, die durch das Einlaßventil 3 der Brennkammer zugeführt wird.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung gezeigt, wobei hier kein Walzendrehschieber 9, son­ dern eine Drosselklappe 19 als Steuerelement 19 zur An­ wendung kommt. In dem (ausschließlich schematisch darge­ stellten) Einlaßkanalabschnitt 2 ist eine Sperrfläche 20 um eine Achse 21 verschwenkbar. Sie kann etwa parallel zur Strömungsrichtung oder quer zu dieser stehen bzw. Zwischenstellungen einnehmen. Die Stellung der Drossel­ klappe 19 wird wiederum über eine hier nicht gezeigte Steuer- und Stellvorrichtung vorgegeben. Im Bereich der Drosselklappe 19 befindet sich ein Auslaß 22 eines Abgas­ rückführkanales 6. Der Auslaß 22 ist durch eine zusätz­ lich an der Drosselklappe 19 befindliche Dichtfläche 23 freigeb- bzw. verschließbar. Beim Verdrehen der Drossel­ klappe 19 um ihre Achse 21 verändert sich die Stellung der Sperrfläche 20 im Einlaßkanalabschnitt 2 sowie die Stellung der Dichtfläche 23 relativ zum Auslaß 22 des Ab­ gasrückführkanales 6. Beide Gasströme sind mit nur einem Steuerelement 19 dosierbar. Die Möglichkeiten der vonein­ ander unabhängigen Dosierung von Frisch- und Abgas sind bei dieser Bauvariante jedoch gegenüber dem ersten Aus­ führungsbeispiel begrenzt.

Insbesondere aus Fig. 1 wird deutlich, daß die Abgasrück­ führkanäle 6 direkt im Zylinderkopf der Brennkraftma­ schine verlaufen. Da die Abgasrückführkanäle 6 ihren Ein­ laß 7 sehr nahe am Auslaßventil 5 besitzen, haben die Ab­ gase eine noch sehr hohe Temperatur. Zur Kühlung sind im Zylinderkopf Kühlmittelkanäle 24 vorgesehen. Diese können permanent oder gesteuert von Kühlmittel durchflutet wer­ den, wodurch der Zylinderkopf im Bereich der Abgasrück­ führkanäle 6 nicht überhitzt. Eine gesteuerte Kühlung kann beispielsweise in der Kaltstartphase sinnvoll sein, um zu erreichen, daß der Motor schnell seine optimale Be­ triebstemperatur erreicht.

Wegen der relativ hohen Abgastemperaturen ist es vorgese­ hen, den Walzendrehschieber 9 und die Drosselklappe 19 ganz oder teilweise aus temperaturbeständigem Metall- oder Keramikwerkstoff zu fertigen. Somit wird hohem Ver­ schleiß oder unzulässig großen Dehnungen der Steuerele­ mente 9, 19 vorgebeugt und das beschriebene System ist wartungsfrei.

Claims (13)

1. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, die je Brennkammer zumindest zwei in Einlaßkanalabschnitten (2) angeordnete Einlaßventile (3) und zumindest ein in einem Auslaßkanal (4) angeordnetes Auslaßventil (5) aufweist, mit einem Steuerelement zur Drosselung des Gasstromes in einem der Einlaßkanalabschnitte (2) sowie mit einem Abgasrückführkanal (6), wobei dieser einen Einlaß (7) im Auslaßkanal (4) und einen Auslaß (8; 22) in dem drosselbaren Einlaßkanalab­ schnitt (2) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (8) des Abgasrückführkanales (6) im Bereich des Steuerelementes (9; 19) liegt und durch das Steuerelement (9; 19) sowohl ein von einem Hauptein­ laßkanal (1) kommender als auch ein den Auslaß (8; 22) des Abgasrückführkanales (6) passierender Gas­ volumenstrom steuerbar ist.

2. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerele­ ment (9) ein um eine Zylinderachse (10) gesteuert verdrehbarer Walzendrehschieber (9) ist, durch des­ sen Wandungen einerseits der Gasstrom vom Hauptein­ laßkanal (1) und andererseits der Abgasstrom durch den Auslaß (8) des Abgasrückführkanales (6) drossel­ bar ist.

3. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bewegung des Walzendrehschiebers (9) über eine Steuervorrichtung (13) und eine Stellvor­ richtung (14) in an sich bekannter Weise in Abhän­ gigkeit von Betriebskennwerten der Brennkraftma­ schine erfolgt.

4. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (9) zumindest ein an sich bekann­ tes radiales Fenster (11) und eine an sich bekannte axiale Öffnung (12) im Bereich des Einlaßventiles (3) aufweist, wobei durch Ränder des Fensters (11) zumindest eine Steuerkante (16, 17) des Walzendreh­ schiebers (9) definiert ist, und das Fenster (11) je nach Stellung des Walzendrehschiebers (9) von den Walzendrehschieber (9) teilweise dichtend um­ schließenden Wandungen (18) eines Zylinderkopfes verschlossen wird.

5. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanalabschnitt (2) und der Auslaß (8) des Ab­ gasrückführkanales (6) durch nur ein Fenster (11) des Walzendrehschiebers (9) gesteuert zum Einlaßven­ til (3) hin freigegeben bzw. verschlossen wird.

6. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (11) größer ist als die vom Walzendrehschie­ ber (9) geschnittene Fläche des Einlaßkanalabschnit­ tes (2).

7. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanalabschnitt (2) und der Auslaß (8) des Ab­ gasrückführkanales (6) durch zwei Fenster des Wal­ zendrehschiebers (9) gesteuert zum Einlaßventil (3) hin freigebbar bzw. verschließbar sind.

8. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführkanal (6) mehrere Auslässe im Einlaßka­ nalabschnitt (2) aufweist und die Auslässe wahlweise einzeln oder gleichzeitig durch zumindest ein radia­ les Fenster des Walzendrehschiebers (9) freigebbar bzw. verschließbar sind.

9. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzendrehschieber (9) aus temperaturbeständigem Me­ tall- oder Keramikwerkstoff gefertigt ist.

10. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerele­ ment (19) eine um eine Achse (21) verschwenkbare, im Einlaßkanalabschnitt (2) angeordnete Drosselklappe (19) ist, durch deren spezielle Randausbildung auch der Auslaß (22) des Abgasrückführkanales (6) frei­ geb- bzw. verschließbar ist.

11. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführkanal (6) im Zylinderkopf der Brenn­ kraftmaschine verläuft.

12. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel­ kanäle (24) nahe des Abgasrückführkanales (6) im Zy­ linderkopf angeordnet sind.

13. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach den An­ sprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (24) permanent oder gesteuert von Kühlmittel durchflutet werden.