DE69921583T2

DE69921583T2 - Abgasrückführungssystem für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69921583T2
Application number: DE69921583T
Authority: DE
Inventors: Kouji Yokosuka City Mori; Yutaka Yokosuka City Matayoshi; Yasushi Yokohama City Noda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-11-27
Also published as: DE69921583D1; EP1004767A3; JP2000161147A; EP1004767B1; EP1004767A2; JP3539246B2; US6272851B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einen Dieselmotor eines Automobils, mit einem Abgasrückführungssystem.
Hinsichtlich eines Abgasrückführungssystems (AGR-System), bei dem ein Teil des Abgases zur Realisierung der Verbrennungsregelung eines Verbrennungsmotors in die Ansaugluft zurückgeführt wird, sind verschiedene Vorrichtungen für das Mischen der Ansaugluft und des zurückgeführten Abgases vorgeschlagen worden.
Im Dokument Jikkai Hei 3-114563, das vom japanischen Patentamt 1991 veröffentlicht wurde, wird ein System offenbart, bei dem ein Isolator zwischen einem Drosselklappengehäuse und einem Druckausgleichsbehälter im Ansaugkanal des Motors eingespannt ist sowie im Isolator zur Mitte des Ansaugkanals hin ein Abgaseinlasspaar in einem 180-Grad-Abstand bereitgestellt und das Abgas mit der Ansaugluft über diese Abgaseinlässe gemischt wird.
Im Dokument Jikkai Hei 3-114564, das 1991 vom japanischen Patentamt veröffentlicht wurde, wird eine Vorrichtung offenbart, bei der ein Ringkanal, der zur Abgasleitung dient, den Ansaugkanal umgibt und das Abgas über mehrere Löcher, die den Ringkanal und Ansaugkanal verbinden, in die Ansaugluft geleitet wird.
Im Dokument Tokkai Hei 5-106519, das vom japanischen Patentamt 1993 veröffentlicht wurde, wird ein System offenbart, bei dem eine kleine Durchgangsbohrung einen Auslasskanal und einen Einlasskanal eines Motors verbindet.
Außerdem wird bei dieser Ausführung nach dem Stand der Technik offenbart, dass das in den Einlasskanal eingespritzte Kraftstoff-Luft-Gemisch und die zum Einlasskanal geleitete Ansaugluft durch das Abgas erwärmt werden und die durch die auf einer Tangente des Querschnittes des Einlasskanals angeordnete Durchgangsbohrung unterstützte Verwirbelung die Verdampfung des an der Einlasskanalwand haftenden Kraftstoffes beschleunigt.
Wenn das Abgas in einem rechten Winkel, wie im Dokument Jikkai Hei 3-114563 und im Dokument Jikkai Hei 3-114564, zur Mitte des Ansaugkanals einer Mehrzylindermaschine hin zugeführt wird, bildet das Abgas infolge der Strömung der Ansaugluft im Ansaugkanal eine ungleichmäßige Strömung im Kanal, und dies ruft eine Ungleichmäßigkeit in der Abgaskonzentration in jedem Teil des Kanalquerschnitts hervor. Dadurch variiert die Abgaskonzentration in der Ansaugluft je nach Zylinder sehr stark. Im Allgemeinen ist die Strömung der Ansaugluft bei Dieselmotoren, die keine Drosselklappe aufweisen, nahezu eine Laminarströmung, so diese Erscheinung sehr ausgeprägt ist, und als Folge davon ergibt sich je nach Zylinder eine leicht unterschiedliche Abgasrückführungsrate.
Wenn andererseits das Abgas der Ansaugluft durch eine kleine Durchgangsbohrung zugeführt wird, die im Zylinderkopf wie im Tokkai Hei Dokument 5-106519, ausgebildet ist, ist die Abgasrückführungsrate begrenzt, und da das Abgas mit der Ansaugluft unmittelbar vor dem Eintritt in den Brennraum gemischt wird, werden das Abgas und die Ansaugluft, ohne richtig gemischt zu sein, in den Brennraum gesaugt. Somit hat eine Variation hinsichtlich der Betriebsbedingungen des Motors eine direkte Auswirkung auf die Abgasrückführungsrate (AGR-Rate). Solche Eigenschaften können die AGR-Rate des Motors instabil machen.
In den Dokumenten DE-A-3511094 und JP-A-05-223016 werden Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
Es wäre wünschenswert, die AGR-Rate der Zylinder einer Mehrzylindermaschine einheitlich machen zu können und gleichzeitig zu verhindern, dass sich die Variation der Betriebsbedingungen des Motors auf die AGR-Rate auswirkt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem nach Anspruch 1 bereit.
Die Details sowie weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden im restlichen Teil der Beschreibung dargelegt und sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines (nicht erfindungsgemäßen) Abgasrückführungssystems.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ansaugkanals, der eine Konstruktion eines Abgaseinlasses zeigt.
3 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Sammelrohres und des Ansaugkanals, die die Strömung der Ansaugluft und des Abgases beschreibt.
4 ist eine Querschnittsdarstellung des Ansaugkanals längs einer Schnittlinie am Abgaseinlass zur Beschreibung einer Strömung des in den Ansaugkanal geleiteten Abgases.
5 ist eine graphische Darstellung, die die AGR-Rate in Abhängigkeit der Zylinder eines Motors zeigt, der mit dem in 1 abgebildeten Abgasrückführungssystem ausgestattet ist.
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ansaugkanals mit einem Abgaseinlasspaar.
7 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ansaugkanals mit einem Abgaseinlasspaar.
Die 8 ist mit der 7 vergleichbar, weist aber Abgaseinlässe mit einer elliptischen Form auf.
Die 9A und 9B sind Querschnittsdarstellungen von Abgaseinlässen längs der Schnittlinien IXA-IXA und IXB-IXB von 8
Die 10 ist mit der 7 vergleichbar, weist aber Abgaseinlässe unterschiedlicher Größe auf.
Die 11A und 11B sind Querschnittsdarstellungen von Abgaseinlässen längs der Schnittlinien XIA-XIA und XIB-XIB von 11.
Die 12 ist mit der 7 vergleichbar, weist aber eine Abwandlung auf.
Die 13 ist mit der 7 vergleichbar, weist aber eine andere Abwandlung auf.
14 ist eine Querschnittsdarstellung eines Abgaseinlasses und einer Rippe längs einer Schnittlinie XIV-XIV von 13.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 der Zeichnungen ist ein Ansaugkrümmer 2 auf einer Seite eines Vierzylinderdieselmotors 1 und ein Abgaskrümmer 3 auf der anderen Seite montiert. Der Ansaugkrümmer 2 umfasst ein Sammelrohr 4, das sich in der Richtung der Zylinderreihe des Motors erstreckt, und Abzweigrohre 5A-5D, die das Sammelrohr 4 mit den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 des Motors verbinden. Das Sammelrohr 4 weist eine Längsachse X, wie in der Figur dargestellt, auf und die Abzweigrohre 5A-5D sind am Sammelrohr 4 von einer Richtung aus angeschlossen, die zur Längsachse X senkrecht ist.
Ein Ansaugkanal 6 ist an einem Ende des Sammelrohres 4 von einer Richtung aus angeschlossen ist, die der Längsachse X entspricht. Frischluft wird in den Ansaugkanal 6 über einen Luftfilter zugeführt, der nicht in der Figur dargestellt ist.
Ein Abgasrückführungsrohr 7 ist am Ansaugkanal 6 im rechten Winkel über einen Abgaseinlass 8 am Ansaugkanal 6 angeschlossen. Das Abgasrückführungsrohr 7 zweigt von einem Abgaskanal 14 aus ab, der am Abgaskrümmer 3 angeschlossen ist und führt einen Teil des Abgases des Motors 1 zum Ansaugkanal 6 zurück. Ein Abgasrückführungs-Regelventil oder etwas Vergleichbares (nicht in 1 dargestellt) ist in das Abgasrückführungsrohr 7 eingebaut.
Als Nächstes wird auf 2 Bezug genommen, in der der Abgaseinlass 8 eine Abgasleitung 8B und eine Öffnung 8A umfasst, die auf einer Tangente eines kreisförmigen Querschnittes des Ansaugkanals 6 angeordnet sind. Wegen der Konstruktion dieses Abgaseinlasses 8 führt das aus dem Abgasrückführungsrohr 7 in den Ansaugkanal 6 strömende, zurückgeführte Abgas eine Strömung längs der zylindrischen Wand des Ansaugkanals 6 herbei, wie dies in 4 dargestellt ist.
Der Ansaugkanal 6 umfasst ein Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt aus einer Aluminiumgusslegierung. Der Abgaseinlass 8 ist als Vorsprung zusammen mit dem Rohr durch Gießen vorgefertigt und das Abgasrückführungsrohr 7, das ein Metallrohr umfasst, ist an diesen Vorsprung angeschlossen.
In 2 sind der Abgaseinlass 8 und die Abzweigrohre 5A-5D auf der gleichen Seite des Ansaugkanals 6 angeordnet, jedoch ist der Ort des Abgaseinlasses 8 in Bezug auf den Ansaugkanal 6 nicht zu diesem eingeschränkt und der Winkel zwischen dem Abgaseinlass 8 und den Abzweigrohren 5A-5D lässt sich frei festlegen.
Als Nächstes wird auf 3 Bezug genommen, in der die durch den Ansaugkanal 6 angesaugte Frischluft eine Laminarströmung herbeiführt, wie dies durch die Pfeile mit Strichlinien dargestellt ist.
Das zurückgeführte Abgas, das aus dem Abgaseinlass 8 in den Ansaugkanal 6 strömt, erzeugt eine Verwirbelung längs der zylindrischen Wandfläche des Ansaugkanals 6, wie dies durch Pfeile mit Volllinien in 3 und 4 dargestellt ist. Wegen des Einflusses der Frischluftströmung führt diese Verwirbelung zum Sammelrohr 4 hin zu einer spiralförmigen Strömung und wegen der Verteilung des zurückgeführten Abgases zum Innenbereich hin, wird es mit der Frischluft gemischt, die in der Spirale strömt. Da andererseits die Richtung der spiralförmigen Strömung effektiv senkrecht zur Strömung der Frischluft ist, wird die Turbulenz an der Grenzfläche zwischen der Frischluft und dem zurückgeführten Abgas herbeigeführt. Die Energie dieser Turbulenz unterstützt das Mischen der Frischluft mit dem zurückgeführten Abgas.
Somit wird die Abgaskonzentration der in das Sammelrohr 4 strömenden Ansaugluft durch die spiralförmige Strömung infolge des Abgaseinlasses 8, der das Mischen der Frischluft und des zurückgeführten Abgases unterstützt, einheitlich gemacht und die Abweichung der AGR-Rate in den Zylindern Nr. 1 – Nr. 4 wird, wie in 5 dargestellt, klein. Darüber hinaus wird, infolge des Mischens des zurückgeführten Abgases und der Frischluft im Bereich vor dem Sammelrohr 4, die Abgasrückführungsrate nicht so leicht durch die Betriebsbedingungen des Motors 1 beeinflusst.
In 6 sind zwei Abgaseinlässe 8 und 9 am äußeren Umfang des Ansaugkanals 6 in einem Abstand von 180 Grad vorhanden.
Die Abgaseinlässe 8 und 9 sind so angeordnet, dass sie eine Verwirbelung in der gleichen Richtung herbeiführen. Der Abgaseinlass 8 umfasst eine Abgasleitung 8B und eine Öffnung 8A. Der Abgaseinlass 9 umfasst eine Abgasleitung 9B und eine Öffnung 9A. Die Abgasleitungen 8B und 9B sind jeweils am Abgasrückführungsrohr 7 angeschlossen. Die Abgaseinlässe 8 und 9 sind, wie in 6 dargestellt, am gleichen Querschnitt des Ansaugkanals 6 ausgebildet, sie können jedoch in der Richtung der Frischluftströmung im Ansaugkanal 6 etwas versetzt zueinander sein. Das Abgas strömt jeweils von zwei Positionen aus in tangentialen Richtungen in den Ansaugkanal 6, so dass die Verwirbelung des zurückgeführten Abgases verstärkt wird.
In 7 sind zwei Abgaseinlässe 8 und 9, wie in 6, im Ansaugkanal 6 vorhanden.
Die Abgasleitungen 8B und 9B sind als Teil der Abgaseinlässe 8 und 9 durch Gießen zusammen mit dem Ansaugkanal 6 vorgefertigt.
Die Abgasleitung 8B, die zur Öffnung 8A führt, weist ein kurzes gerades Leitungsstück auf, aber die Abgasleitung 9B, die zur Öffnung 9A führt, bildet einen langen kreisförmigen Bogen längs des äußeren Umfanges des Ansaugkanals 6. Die Abgasleitungen 8B, 9B sind über einen gemeinsamen Flansch 10 am Abgasrückführungsrohr 7 angeschlossen, der ebenfalls als Teil der Abgaseinlässe 8 und 9 durch Gießen vorgefertigt wurde.
Die Querschnittsfläche der Abgasleitung 9B verringert sich in dem Maße, wie sich der Leitungsquerschnitt der Öffnung 9A nähert und wie dies durch den angedeuteten Querschnitt S1 – S5 in der Figur dargestellt ist. Die Querschnittsfläche der Abgasleitung 8B verringert sich ebenfalls in dem Maße, wie sich der Leitungsquerschnitt der Öffnung 8A nähert und wie dies durch den angedeuteten Querschnitt S6 und S7 in der Figur dargestellt ist.
Diese Anordnung der Abgasleitungen 8B, 9B hat den folgenden Effekt. Die lange, bogenförmige Abgasleitung 9B hat infolge der Trägheitskraft des in ihr strömenden Abgases einen Aufladungseffekt. Da sich zusätzlich die Querschnittsflächen der Abgasleitungen 8B und 9B jeweils zu den Öffnungen 8A und 9A hin verringern, erhöht sich die Geschwindigkeit des in den Ansaugkanal 6 strömenden Abgases und das Abgas wird deshalb sogar bei einer niedrigen Abgasrückführungsrate ausreichend mit Frischluft gemischt.
In den 8, 9A, und 9B sind die Abgasleitungen 8B und 9B zwar ebenfalls, wie in 7, um den Ansaugkanal 6 herum angeordnet, sie haben jedoch unterschiedliche Querschnitte. Die Öffnungen 8A, 9A der Abgaseinlässe 8, 9 sind in einer elliptischen Form mit identischen Abmessungen ausgebildet, wie dies in den 8A und 9A dargestellt ist. Die lange Achse der Ellipse ist parallel zur Richtung der Frischluftströmung des Ansaugkanals ausgerichtet. Die Querschnitte der Abgasleitungen 8B und 9B haben dementsprechend eine elliptische Form und verringern sich jeweils in dem Maße, wie sie sich den Öffnungen 8A und 9A nähern.
Folglich ist die Dicke der Verwirbelungsschicht geringer, die durch das zurückgeführte Abgas, das in den Ansaugkanal 6 strömt, herbeigeführt wird. Deshalb wird die Strömung des zurückgeführten, in den Ansaugkanal 6 strömenden Abgases nicht einfach durch die Strömung der Frischluft des Ansaugkanals 6 weggedrängt, sondern eine Verwirbelung längs der zylindrischen Wände des Ansaugkanals 6 nachhaltiger hervorgerufen.
In den 10, 11A, und 11B ist die Öffnung 9A des Abgaseinlasses 9 größer als die Öffnung 8A des Abgaseinlasses 8 ausgeführt. Gemäß der Erfindung ist die Querschnittsfläche der Abgasleitung 9B größer als die der Abgasleitung 8B ausgeführt.
Die Abgasleitung 9B ist länger als die Abgasleitung 8B, so dass dadurch, dass die Öffnung 9A auf diese Weise größer als die Öffnung 8A ist, das Volumenstromverhältnis der Abgasleitungen 8B, 9B fast gleich wird, was eine erwünschte Umgebung für das Herbeiführen einer Verwirbelung schafft.
In 12 sind Durchgangsbohrungen 11 in die zylindrische Wand des Ansaugkanals 6 geformt, um die Abgasleitungen 8B, 9B und den Ansaugkanal 6 anzuschließen.
Ein Teil des zurückgeführten Abgases der Abgasleitungen 8B, 9B strömt durch diese Durchgangsbohrungen 11 in den Ansaugkanal 6, so dass die Turbulenz im Ansaugkanal 6 und das Mischen des Abgases mit der Frischluft unterstützt wird. Da darüber hinaus das Abgas von verschiedenen Stellen an der zylindrischen Wand des Ansaugkanals 6 aus einströmt, wird die Konzentration des Abgases im Ansaugkanal 6 einheitlich gemacht.
In den 13 und 14 sind die Rippen 12, 13 direkt im Bereich vor den Öffnungen 8A, 9A im Ansaugkanal 6 vorhanden. Die Rippen 12 und 13 stehen jeweils von der Innenwand des Ansaugkanals 6 in den Ansaugkanal 6 wie eine Flusssperre hervor, die senkrecht zur Strömung der Frischluft des Ansaugkanals 6 angeordnet ist. Die Kronen 12A und 13A der Flusssperren liegen auf einer geraden Linie, deren Höhe mit der Höhe der Öffnungen 8A, 9A übereinstimmt. Mit anderen Worten haben die Rippen 12, 13 eine Mondsichelform und der Höchstwert der Höhe vom inneren Umfang des Ansaugkanals 6 aus bis zu den Kronen 12A und 13A ist gleich der Länge der kurzen Achse der elliptisch geformten Querschnitte der Öffnungen 8A, 9A.
Die so angeordneten Rippen 12, 13 verhindern, dass die durch Pfeile mit Strichlinien in 14 dargestellte Strömung der Ansaugluft auf das zurückgeführte Abgas trifft, das aus den Abgaseinlässen 8 und 9 in den Ansaugkanal 6 strömt. Dadurch wird das zurückgeführte Abgas, das in den Ansaugkanal 6 strömt, nicht einfach von der Frischluft weggedrängt und somit wird die Wirbelströmung längs der zylindrischen Wände des Ansaugkanals 6 einfacher herbeigeführt.

Claims

Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführungssystem für ein Fahrzeug, bei der die aus einem Ansaugkanal (6) kreisförmigen Querschnittes zu einem Sammelrohr (4) angesaugte Ansaugluft über am Sammelrohr (4) angeschlossene Abzweigrohre (5A-5D) an Zylindern (Nr. 1 – Nr. 4) bereitgestellt wird, wobei der Ansaugkanal (6) vorzugsweise so arbeitet, dass Frischluft in Form einer Laminarströmung angesaugt wird und der Ansaugkanal (6) nicht mit einer Drosselklappe bereitgestellt wird, die einem Gaspedal des Fahrzeuges zugeordnet ist, und bei der ein Teil des Abgases des Motors (1) aus einem Abgaskanal (3) zum Ansaugkanal (6) zurückgeführt wird, wobei das Abgasrückführungssystem Folgendes umfasst: ein Abgasrückführungsrohr (7), das vom Abgaskanal (3) abzweigt und am Ansaugkanal (6) angeschlossen ist; einen ersten Abgaseinlass (8), der eine erste Abgasleitung (8B) umfasst, die am Ansaugkanal (6) über eine erste Öffnung angeschlossen ist, um aus dem Abgasrückführungsrohr (7) zurückgeführtes Abgas im Wesentlichen tangential in den Ansaugkanal (6) zu leiten; und einen zweiten Abgaseinlass (9), der eine zweite Abgasleitung (9B) umfasst, die am Ansaugkanal (6) über eine zweite Öffnung (9A) angeschlossen ist, die in einem 180-Grad-Abstand von der ersten Öffnung (8A) angeordnet ist, um aus dem Abgasrückführungsrohr (7) zurückgeführtes Abgas im Wesentlichen tangential in den Ansaugkanal (6) zu leiten; dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der zweiten Abgasleitung (9B) größer ist als die Querschnittsfläche der ersten Abgasleitung (8B).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei der das Sammelrohr (4) eine Längsachse aufweist, die zu den Abzweigrohren (5A-5D) senkrecht ist, und der Ansaugkanal (6) am Sammelrohr (4) von einer Richtung aus angeschlossen ist, die der Längsachse entspricht.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein einziger Flansch (10) für den Anschluss der ersten Abgasleitung (8B) und zweiten Abgasleitung (9B) am Abgasrückführungsrohr (7) dient.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Abgasleitung (9B) längs eines äußeren Umfanges des Ansaugkanals (6) ausgebildet ist und eine längere Strömungsstrecke als die erste Abgasleitung (8B) aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Abgasleitung (8B) und zweite Abgasleitung (9B) zusammen mit dem Ansaugkanal (6) durch Gießen geformt werden.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Öffnung (8A) und zweite Öffnung (9A) jeweils in einer länglichen Form ausgebildet sind, von der eine lange Achse im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung von Frischluft im Ansaugkanal (6) ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Querschnittsfläche der ersten Abgasleitung (8B) allmählich zur ersten Öffnung (8A) hin abnimmt und die Querschnittsfläche der zweiten Abgasleitung (9B) allmählich zur zweiten Öffnung (9A) hin abnimmt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine der ersten und zweiten Abgasleitung (8B, 9B) außerdem am Ansaugkanal (6) über mindestens eine Durchgangsbohrung (11) angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ansaugkanal (6) eine erste Rippe (12), die zur Mitte des Ansaugkanals (6) hervorsteht und der ersten Öffnung (8A) vorgeschaltet ist, und eine zweite Rippe (13) aufweist, die zur Mitte des Ansaugkanals (6) hervorsteht und der zweiten Öffnung (9A) vorgeschaltet ist, wobei sich jede Rippe vorzugsweise in einer Umfangsrichtung am inneren Umfang des Ansaugkanals (6) erstreckt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, bei der die erste Öffnung (8A) eine erste lange Achse, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung von Frischluft im Ansaugkanal (6) ist, und eine erste kurze, dazu senkrechte Achse aufweist, die zweite Öffnung (9A) eine zweite lange Achse, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung von Frischluft im Ansaugkanal (6) ist, und eine zweite kurze, dazu senkrechte Achse aufweist, die erste Rippe (12) eine Höhe aufweist, die im Wesentlichen gleich der Länge der ersten kurzen Achse ist, und die zweite Rippe (13) eine Höhe aufweist, die im Wesentlichen gleich der Länge der zweiten kurzen Achse ist.