EP2288802A1 - Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine

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EP2288802A1
EP2288802A1 EP09749702A EP09749702A EP2288802A1 EP 2288802 A1 EP2288802 A1 EP 2288802A1 EP 09749702 A EP09749702 A EP 09749702A EP 09749702 A EP09749702 A EP 09749702A EP 2288802 A1 EP2288802 A1 EP 2288802A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
distributor element
gas recirculation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09749702A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Köster
Martin Nowak
Peter Haushälter
Heinrich Dismon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M26/20—Feeding recirculated exhaust gases directly into the combustion chambers or into the intake runners
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/70—Flap valves; Rotary valves; Sliding valves; Resilient valves

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine with a Abgasmengenregler and with a housing in which an exhaust gas inlet and a plurality of cylinders of the internal combustion engine Abgasauslassöffitch are arranged, wherein between the exhaust gas inlet opening and the Abgasauslassö réelleen a movable distributor element is arranged, which corresponds to the rotational speed a camshaft of
  • Internal combustion engine is driven and has a number corresponding to the number of Abgasauslassö réelleen outlet windows and at least one inlet window, so that via the distributor element, a fluidic connection of the exhaust gas inlet opening with one of the exhaust gas outlet openings can be produced.
  • US Pat. No. 6,308,666 B1 discloses an exhaust gas recirculation system in which the exhaust gas recirculation takes place via a connection of the outlet lines of two cylinders assigned to one another.
  • a tubular shift drum is arranged behind the exhaust manifold, which is coupled to the camshaft. This shift drum dominates the exhaust outlet of the internal combustion engine, so that by closing this exhaust outlet, the exhaust gas directly from Outlet valve of an ejecting cylinder is guided to the exhaust valve of a suctioning cylinder. It is thus also a form of internal exhaust gas recirculation, in which the exhaust gas quantity control takes place only via the opening of an additional vent valve.
  • Cylinder-selective and accurate-cycle systems with external exhaust gas recirculation are poorly known. By introducing individual in the exhaust gas recirculation channels existing throttle bodies, each associated with a cylinder, lower pollutant emissions could be achieved because a more accurate residual gas control for each cylinder is possible.
  • these known systems operate with a common operation for all individual exhaust gas recirculation channels, so that each exhaust gas recirculation lines are opened synchronously.
  • Such a cylinder-selective recirculation is disclosed by DE 198 51 922 A1, in which behind an exhaust gas recirculation valve, a pipe is arranged in a bore of the intake manifold of the internal combustion engine, which can be rotated via an electric actuator.
  • This tube which acts as a distributor element, has a number of openings, via which a connection can be made to an exhaust gas recirculation channel leading to the suction channel.
  • the exhaust gas is returned to the cylinder at a late time, so that the charging disturbing vibrations can be avoided by recirculated exhaust gas in the intake manifold.
  • a cycle-accurate feeding of the exhaust gas is not possible with this system.
  • DE 37 22 048 A1 proposes an external exhaust gas recirculation device with a distributor element and an upstream exhaust gas recirculation valve in which the distributor element is coupled to the camshaft and rotates therewith, the housing having a number corresponding to the number of cylinders Exhaust outlet and an exhaust gas inlet opening, wherein in each case one of the exhaust gas outlet openings is fluidically connectable via the distributor element with the exhaust gas inlet opening.
  • the plate-shaped or cup-shaped distributor element has for this purpose a single passage opening. Behind the outlet openings is in each case an exhaust gas channel, which leads to the inlet line of the cylinder head.
  • the object is to provide an exhaust gas recirculation device which works cylinder-selective and cyclic synchronous, but eliminates the disadvantage of the large following volumes of the exhaust ports, so that gas-dynamic effects of compressible exhaust gas can be avoided and a high system dynamics is achieved.
  • the individual cylinders should be able to be fed externally and close to the cylinder at the optimum time. The assembly effort and the number of components should be minimized simultaneously.
  • the distributor element is tubular and has a number of outlet windows corresponding to the number of exhaust gas outlet openings which are distributed correspondingly to the ignition offset of the internal combustion engine over the circumference of the distributor element, wherein the exhaust gas outlet openings of the housing directly into the inlet channels of the cylinder head lead.
  • the distributor element is connected via a coupling with the camshaft and rotates at the speed of the camshaft.
  • additional drives are required by the coupling.
  • the tubular distributor element is driven directly or indirectly via an electric motor with the speed of the camshaft, so that no chain or belt drives are necessary which in particular reduces the maintenance of the internal combustion engine. Furthermore, it is possible in a simple manner to phasing the angle of rotation of the camshaft.
  • the housing of the distributor element is flanged to the intake manifold and the cylinder head of the internal combustion engine. This simplifies the leak-free installation in the internal combustion engine.
  • the phase angle of the distributor element is displaceable in comparison with the camshaft via the electric motor or via a control element.
  • an alternative to the fully variable valve train is created with respect to the control of the exhaust gas flow, for example, by upstream or downstream exhaust gas can be stored.
  • an optimal time for the exhaust gas supply is adjustable depending on the load state of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas inlet opening is arranged at the axial end of the housing of the distributor element and the associated inlet window is formed by an axially open end of the tubular distributor element. This results in a particularly simple connection of the exhaust gas recirculation channel to the distributor element.
  • the exhaust gas inlet opening with respect to the longitudinal extension of the distributor element centrally leads into an annular gap of the housing and the distribution element distributed over the circumference inlet windows are arranged, which are fluidly connected to the annular gap.
  • the housing has a plurality of exhaust gas inlet openings, each of which is fluidically connectable to at least one inlet window of the distributor element, wherein the inlet windows are each arranged centrally between a pair of adjacent outlet windows and partition walls are arranged in the distributor element, each of the one inlet window associated pair outlet window from the adjacent Pair of outlet windows separates.
  • the outlet windows are arranged corresponding to the ignition offset of the internal combustion engine on the circumference of the distributor element and the inlet windows to the associated outlet window with respect to the rotation according to the time required for the exhaust gas from the inlet window to the outlet window, offset forward.
  • the exhaust gas flow to the respective cylinder always takes place in the same amount and at the optimum time.
  • a constant filling of the cylinder is achieved with exhaust gas.
  • the distributor element at its axial ends in each case a pin-shaped extension with a step, wherein on the pin part of larger diameter each between the housing and pin a seal is arranged and on the pin part of smaller diameter between Housing and pin each bearing is arranged.
  • the exhaust gas quantity regulator is an exhaust gas recirculation valve, which is arranged in the exhaust gas inlet channel and can be designed, for example, as a cone valve. With such a valve, a precise amount of exhaust gas can be reliably metered.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of the distributor element of an exhaust gas recirculation device according to the invention with a cut-open housing.
  • FIG. 2 shows the connection of the distributor element with the housing according to FIG. 1 to a suction tube of an internal combustion engine in a three-dimensional representation.
  • Figure 3 shows a side view of the distributor element with housing according to Figure 1 in a sectional view.
  • An exhaust gas recirculation device consists of an exhaust gas recirculation channel branching off from the exhaust manifold of the internal combustion engine, in which an exhaust gas quantity regulator is arranged, which is usually designed as a known exhaust gas recirculation valve, by means of which the recirculated exhaust gas quantity is regulated.
  • this exhaust gas recirculation channel leads to an exhaust gas inlet opening 1 of a housing 2, in which a distributor element 3 is arranged.
  • the distributor element 3 is tubular and has four inlet windows 4 and four outlet windows 5 for the exhaust gas flow.
  • the number of inlet windows 4 and the outlet window 5 corresponds in each case to the number of cylinders of the internal combustion engine.
  • a first pin-shaped extension 7 is formed, which, as can be seen in Figure 3, a step 8, so that a first pin portion 9 of larger diameter and a subsequent second pin portion 10 of smaller diameter is formed.
  • a seal 11 is arranged, which seals the tubular distributor element 3 against the housing 2 to the outside, while on the second pin member 10, a bearing 12 is arranged, via which the distributor element 3 is rotatably mounted in the housing 2.
  • a pin-shaped extension 14 is arranged with a step 15 in the same way, again on the pin member 16 of larger diameter, a seal 17 is arranged and on the pin member 18 of smaller diameter, a bearing 19 is arranged.
  • the pin part 18 is made longer, so that it extends beyond the axial end of the housing 2.
  • the distributor element 3 is connected to a control element 20 via this pin part 18 protruding beyond the housing 2.
  • This control 20 is used in the present embodiment as a clutch 21 to a camshaft, not shown, of the internal combustion engine. This is done via a belt which runs on a pulley 22 of the control element 20, so that the rotation of the camshaft is transmitted via the belt first to the pulley 22 and from the pulley 22 to the distributor element 3 in the fixed housing 2, wherein the transmission between Camshaft and distributor element in the ratio 1: 1 done.
  • the control element 20 is formed in the present embodiment as a phaser, so that by rotation of an electric motor 23 and a worm 24 disposed thereon, a ring gear 25 of a planetary gear 26 can be adjusted, whereby the rotation angle of a planetary carrier 27 which is fixedly disposed on the pin member 18, to the angle of rotation of the pulley 22 and thus also the angle of rotation of the distributor element 3 can be moved to the camshaft.
  • the timing of the exhaust gas recirculation into the individual cylinders can be advanced or relocated via the control element 20 in comparison with the opening time of the intake valves of the internal combustion engine.
  • the distributor element 3 has four inlet windows 4 and four outlet windows 5.
  • the inlet windows 4 are approximately evenly distributed over the circumference of the distributor element 3 and arranged centrally with respect to the longitudinal extent of the distributor element 3 on the circumference of the distributor element 3.
  • the inlet windows 4 correspond to an annular gap 31 formed on the housing 2, which is supplied with exhaust gas via the exhaust gas inlet opening 1, which is likewise designed centrally with respect to the longitudinal extent of the housing 2.
  • more or fewer inlet windows 4 may be formed on the distributor element 3, however, the design with four inlet windows 4, which has the respective outlet windows 5 opposite to the advantage of a lower pressure loss.
  • exhaust gas outlet openings 28 are formed on the housing 2 on the axially opposite side over the length of the housing 2, two of which are formed with respect to the longitudinal extent of the housing 2 on one side of the exhaust gas inlet opening 1 and two on the other side of the inlet opening 1.
  • the exhaust gas outlet openings 28 correspond with the outlet windows 5 of the distributor element 3 in such a way that during one revolution of the distributor element 3, in each case a fluidic connection of the interior of the distributor element 3 with one of the exhaust outlet openings 28 via the associated outlet window 5, corresponding to the ignition timing of the associated cylinders will be produced.
  • the outlet window 5 are arranged distributed in accordance with the Zündversatzes of the internal combustion engine over the circumference of the distributor element.
  • the inlet windows 4 are arranged to the outlet windows 5 on the distributor element 3 such that an axially approximately opposite outlet window 5 exists for each inlet window, so that the fluidic connection between the exhaust inlet opening 1 and the interior of the distributor element 3 is approximately synchronous with the fluidic connection between the interior the distributor element 3 and one of the exhaust gas outlet openings 28 takes place.
  • the annular gap 31 is closed, so that only one fluid connection between the interior of the distributor element 3 and the exhaust gas inlet opening 1 is made via the inlet window 4 during one revolution of the distributor element 3.
  • the inlet windows 4 should each be arranged at the periphery slightly offset from their corresponding outlet windows 5, so that the exhaust gas flowing into the distributor element 3 via the inlet window 4 reaches the latter exactly at the opening of the outlet window 5.
  • this offset should be made to the inlet windows 4, so that the uniform distribution of the outlet window 5 remains, whereby the exhaust gas supply to the cylinder at each of the cylinders takes place at the same time and with the same filling.
  • the cylinder head must have a total of three intake passages per cylinder, two of which correspond to the intake manifold passages and an inlet passage arranged at right angles thereto corresponds to the exhaust gas outlet passage 28 of the housing 2.
  • the inlet channel corresponding to the exhaust gas outlet channel 28 leads within the cylinder head into one or both of the intake ducts corresponding to the intake pipe 29, so that the exhaust air mixture is supplied to the respective cylinder.
  • the exhaust gas is metered directly into the respective inlet channel of the cylinder head.
  • Such an exhaust gas recirculation device thus enables cycle-accurate and cylinder-selective recirculation of the exhaust gas to the cylinders. Due to the short realized path lengths and the corresponding arrangement of the inlet and outlet windows, the feedback is highly dynamic and optimizable at the time of combustion. This can cause emissions of
  • the scope of protection is not limited to the embodiment described.
  • a separate drive for the distributor element in the form of an electric motor rotating with camshaft speed can be provided. This can then also be used with appropriate control, without having to use additional components for phase shifting.
  • the distributor element can be integrated directly into the intake manifold or the cylinder head.
  • the supply of the exhaust gas to the housing can also take place from an axial end of the tubular distributor element, in which case the offset of the inlet and outlet windows is to be adapted to one another according to the path lengths.
  • the housing may have two exhaust gas inlet openings each corresponding to the inlet windows distributed on a fixed circumference.
  • the corresponding outlet windows can then be arranged at the same distance to both sides of the inlet window distributed on a fixed circumference.
  • a partition should then be arranged in the middle of the distributor element between the corresponding groups of inlet windows and outlet windows, whereby advantageous effects with regard to the uniform distribution of the exhaust gas quantity to all four cylinders are to be expected.

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Abstract

Es wird eine Abgasrückführvorrichtung vorgeschlagen, welche ein Verteilerelement (3) aufweist, das korrespondierend zur Drehzahl der Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, wobei über das Verteilerelement (3) eine fluidische Verbindung einer Abgaseinlassöffnung (1) mit je einer von zur Zylinderanzahl korrespondierenden Anzahl an Abgasauslassöffnungen (28) herstellbar ist, wobei erfindungsgemäß das Verteilerelement (3) rohrförmig ausgebildet ist und die Abgasauslasskanäle (28) des Gehäuses (2) unmittelbar in die Einlasskanäle des Zylinderkopfes münden. Derartig ausgeführte Abgasrückführvorrichtungen dienen zur zylinderselektiven Rückführung von Abgas zu den einzelnen Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine und arbeiten zyklusgenau, wobei vorteilhafterweise zusätzlich eine Möglichkeit zur Phasenverschiebung des Zyklusses im Vergleich zur Nockenwelle möglich ist, so dass Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine deutlich reduziert werden können.

Description

B E S C H R E I B U N G
Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasmengenregler und mit einem Gehäuse, in dem eine Abgaseinlassöffnung und mehrere zur Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Abgasauslassöffungen angeordnet sind, wobei zwischen der Abgaseinlassöffnung und den Abgasauslassöffnungen ein bewegbares Verteilerelement angeordnet ist, welches korrespondierend zur Drehzahl einer Nockenwelle der
Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist und eine zur Anzahl der Abgasauslassöffnungen korrespondierende Anzahl an Auslassfenstern und zumindest ein Einlassfenster aufweist, so dass über das Verteilerelement eine fluidische Verbindung der Abgaseinlassöffnung mit je einer der Abgasauslassöffnungen herstellbar ist.
Es sind diverse Abgasrückführvorrichtungen und -Systeme bekannt. Zur Verminderung der Emissionen wurden in den letzten Jahren verschiedene Systeme vorgestellt, über die das Abgas zur Verbesserung der Verbrennung zylinderselektiv zurückgeführt werden sollte. Dies wurde sowohl über einzelne Klappen realisiert, die in einzelnen zu den Zylinder führenden Abgasrückführleitungen angeordnet sind und gemeinsam betätigt wurden, wie es beispielsweise aus der DE 19842349 bekannt ist, als auch über zylinderinterne und -nahe Abgasrückführung. Eine derartiges System ist aus der DE 10 2005 025 904 bekannt. Hier sind jedoch zusätzliche Rückschlagklappen und mehrere Dosierventile in den Abgasrückführleitungen vorzusehen.
Zusätzlich ist aus der US 6,308,666 Bl ein Abgasrückführsystem bekannt, bei dem die Abgasrückführung über eine Verbindung der Auslassleitungen zweier einander zugeordneter Zylinder erfolgt. Hierzu ist hinter dem Abgaskrümmer eine rohrförmige Schaltwalze angeordnet, die mit der Nockenwelle gekoppelt ist. Diese Schaltwalze beherrscht den Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine, so dass durch Verschließen dieses Abgasauslasses das Abgas direkt vom Auslassventil eines ausstoßenden Zylinders zum Auslassventil eines ansaugenden Zylinders geführt wird. Es handelt sich somit ebenfalls um eine Form der internen Abgasrückführung, bei der die Abgasmengensteuerung lediglich über die Öffnung eines zusätzlichen Entlüftungsventils erfolgt.
Die bekannten Systeme zur internen Abgasrückführung erfordern einen hohen Regelungs- und Montageaufwand sowie variable Ventiltriebe, so dass derartige Systeme sehr kostenintensiv sind.
Zylinderselektiv und zyklusgenau arbeitende Systeme mit externer Abgasrückführung sind wenig bekannt. Durch die Einführung einzelner in den Abgasrückführkanälen vorhandener Drosselorgane, die jeweils einem Zylinder zugeordnet sind, konnten niedrigere Schadstoffemissionen erreicht werden, da eine genauere Restgassteuerung für jeden Zylinder möglich wird. Allerdings arbeiten diese bekannten Systeme mit einer gemeinsamen Betätigung für alle einzelnen Abgasrückführkanäle, so dass jeweils alle Abgasrückführleitungen synchron geöffnet werden.
Eine solche zylinderselektive Rückführung wird durch die DE 198 51 922 Al offenbart, in der hinter einem Abgasrückführventil ein Rohr in einer Bohrung des Saugrohrs der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, welches über eine elektrische Stelleinheit gedreht werden kann. Dieses Rohr, welches als Verteilerelement wirkt, weist eine Anzahl von Öffnungen auf, über die eine Verbindung zu einem zum Saugkanal führenden Abgasrückführkanal hergestellt werden kann. Hierdurch wird das Abgas erst zu einem späten Zeitpunkt in die Nähe des Zylinders zurückgeführt, so dass die Aufladung störende Schwingungen durch rückgeführtes Abgas im Saugrohr vermieden werden können. Ein zyklusgenaues Zuführen des Abgases ist mit diesem System jedoch nicht möglich.
Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 37 22 048 Al eine externe Abgasrückführvorrichtung mit einem Verteilerelement und einem vorgeschalteten Abgasrückführventil vorgeschlagen, bei der das Verteilerelement mit der Nockenwelle gekoppelt ist und sich mit dieser dreht, wobei das Gehäuse eine zur Anzahl der Zylinder korrespondierende Anzahl an Abgasauslassöffnungen und eine Abgaseinlassöffnung aufweist, wobei jeweils eine der Abgasauslassöffnungen über das Verteilerelement mit der Abgaseinlassöffnung fluidisch verbindbar ist. Das platten- oder topfförmige Verteilerelement weist hierzu eine einzelne Durchgangsöffnung auf. Hinter den Auslassöffnungen befindet sich jeweils ein Abgaskanal, der zur Einlassleitung des Zylinderkopfes führt. Es ist somit eine zyklusgenaue und zylinderselektive Abgasrückführung möglich, welche jedoch weiterhin unter den relativ langen Wegen von der Auslassöffnung zum jeweiligen Zylinder leidet. Insbesondere treten dadurch Probleme auf, dass die Strömungsweglängen zu den Zylindern hinter dem Verteilerelement unterschiedlich sind. Zusätzlich besteht der Nachteil des erhöhten Aufwandes bei der Montage der folgenden Abgasleitungen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasrückführvorrichtung zu schaffen, welche zylinderselektiv und zyklussynchron arbeitet, jedoch den Nachteil der großen folgenden Volumina der Abgaskanäle beseitigt, so dass gasdynamische Effekte des kompressiblen Abgases vermieden werden und eine hohe Systemdynamik erreicht wird. So soll den einzelnen Zylindern zum jeweils optimalen Zeitpunkt Abgas extern und zylindernah zugeführt werden können. Der Montageaufwand und die Bauteilanzahl sollen gleichzeitig minimiert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verteilerelement rohrförmig ausgebildet ist und eine zur Anzahl der Abgasauslassöffnungen korrespondierende Anzahl an Auslassfenstern aufweist, die korrespondierend zum Zündversatz des Verbrennungsmotors über den Umfang des Verteilerelementes verteilt angeordnet sind, wobei die Abgasauslassöffnungen des Gehäuses unmittelbar in die Einlasskanäle des Zylinderkopfes münden. Hierdurch wird eine zyklusgenau und zylinderselektiv arbeitende externe Abgasrückführungsrichtung geschaffen, welche hoch dynamisch arbeitet, und durch ihre kurzen und gleichen Weglängen von den Auslassfenstern zu jedem der Zylinder die Synchronität zum Verbrennungsablauf optimiert.
Vorzugsweise ist das Verteilerelement über eine Kupplung mit der Nockenwelle verbunden und dreht sich mit der Drehzahl der Nockenwelle. Bei einer derartigen Ausführung sind durch die Koppelung zusätzlichen Antriebe notwendig. In einer alternativen Ausführung ist das rohrförmige Verteilerelement direkt oder indirekt über einen Elektromotor mit der Drehzahl der Nockenwelle angetrieben, so dass keine Ketten- oder Riementriebe notwendig sind was insbesondere den Wartungsaufwand des Verbrennungsmotors reduziert. Des Weiteren wird auf einfache Art und Weise ein Phasing zum Drehwinkel der Nockenwelle möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse des Verteilerelementes am Saugrohr und am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angeflanscht. Dies vereinfacht den leckagefreien Einbau in den Verbrennungsmotor.
Vorteilhafterweise ist der Phasenwinkel des Verteilerelementes im Vergleich zur Nockenwelle über den Elektromotor oder über ein Steuerelement verschiebbar. Hierdurch wird bezüglich der Steuerung des Abgasstroms eine Alternative zum vollvariablen Ventiltrieb geschaffen, indem Abgas beispielsweise vor- oder nachgelagert werden kann. In jedem Fall ist durch eine derartige Ausführung ein optimaler Zeitpunkt zur Abgaszuführung je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors einstellbar.
In weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Abgaseinlassöffnung am axialen Ende des Gehäuses des Verteilerelementes angeordnet und das zugehörige Einlassfenster durch ein axial offenes Ende des rohrförmigen Verteilerelementes gebildet. Hierdurch entsteht eine besonders einfache Anbindung des Abgasrückführkanals an das Verteilerelement.
In einer besonders vorteilhaften alternativen Ausführung führt die Abgaseinlassöffnung bezüglich der Längserstreckung des Verteilerelementes zentral in einen Ringspalt des Gehäuses und am Verteilerelement sind über den Umfang verteilt Einlassfenster angeordnet, die mit dem Ringspalt fluidisch verbunden sind. Somit wird eine stetige Zufuhr von Abgas in das Verteilerelement sichergestellt, die zentral erfolgt, wodurch die vorhandenen Weglängen verkürzt werden, so dass die Dynamik des Systems zusätzlich erhöht wird. Vorzugsweise weist das Gehäuse mehrere Abgaseinlassöffnungen auf, von denen jede mit zumindest einem Einlassfenster des Verteilerelementes fluidisch verbindbar ist, wobei die Einlassfenster jeweils zentral zwischen einem Paar benachbarter Auslassfenster angeordnet sind und im Verteilerelement Trennwände angeordnet sind, die jeweils das einem Einlassfenster zugeordnete Paar Auslassfenster vom benachbarten Paar Auslassfenster trennt. Durch diese Anordnung der Ein- und Auslassfenster zueinander sind die Strömungswege für das Abgas im Verteilerelement von jedem Einlassfenster zum Auslassfenster gleich. Durch diese gleichen Laufzeiten wird die Zyklusgenauigkeit zusätzlich erhöht.
In einer optimierten Ausführung sind die Auslassfenster korrespondierend zum Zündversatz der Verbrennungskraftmaschine auf dem Umfang des Verteilerelementes angeordnet und die Einlassfenster zum zugehörigen Auslassfenster bezüglich der Drehung entsprechend der Zeit, die das Abgas benötigt um vom Einlassfenster zum Auslassfenster zu gelangen, nach vorne versetzt angeordnet. Hierdurch erfolgt der Abgasstrom zum jeweiligen Zylinder immer in der gleichen Menge und zum optimalen Zeitpunkt. Somit wird eine konstante Füllung der Zylinder mit Abgas erreicht.
Zur besonders kostengünstigen und einfachen Abdichtung und Lagerung des Verteilerelementes im Gehäuse weist das Verteilerelement an seinen axialen Enden jeweils eine zapfenförmige Verlängerung mit einer Stufe auf, wobei auf dem Zapfenteil größeren Durchmessers jeweils zwischen Gehäuse und Zapfen eine Dichtung angeordnet ist und auf dem Zapfenteil kleineren Durchmessers zwischen Gehäuse und Zapfen jeweils ein Lager angeordnet ist. Hierdurch wird zusätzlich eine einfache Montage erreicht.
Vorzugsweise ist der Abgasmengenregler ein Abgasrückführventil, welches im Abgaseinlasskanal angeordnet ist und beispielsweise als Kegelventil ausgeführt werden kann. Mit einem derartigen Ventil kann zuverlässig eine genaue Abgasmenge dosiert werden.
Diese Ausführungen erhöhen deutlich die bisher bekannte Systemdynamik und verbessern die zyklusgenaue AGR-Beimessung eines jeden Zylinders. So kann die Verbrennung mit Abgasrückführung optimiert werden. Gasdynamische Effekte werden dabei minimiert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Verteilerelementes einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung mit aufgeschnittenem Gehäuse.
Figur 2 zeigt die Anbindung des Verteilerelementes mit Gehäuse gemäß Figur 1 an ein Saugrohr eines Verbrennungsmotors in dreidimensionaler Darstellung.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des Verteilerelementes mit Gehäuse gemäß Figur 1 in geschnittener Darstellung.
Eine Abgasrückführvorrichtung besteht aus einem vom Auslasskrümmer der Verbrennungskraftmaschine abzweigenden Abgasrückführkanal, in dem ein Abgasmengenregler angeordnet ist, der üblicherweise als bekanntes Abgasrückführventil ausgebildet ist, mittels dessen die rückgeführte Abgasmenge geregelt wird.
In der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführung der Erfindung führt dieser nicht dargestellte Abgasrückführkanal zu einer Abgaseinlassöffnung 1 eines Gehäuses 2, in dem ein Verteilerelement 3 angeordnet ist.
Das Verteilerelement 3 ist rohrförmig ausgebildet und weist vier Einlassfenster 4 und vier Auslassfenster 5 für den Abgasstrom auf. Die Anzahl der Einlassfenster 4 und der Auslassfenster 5 korrespondiert jeweils zur Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine. Am ersten axialen Ende 6 des Verteilerelementes 3 ist eine erste zapfenförmige Verlängerung 7 ausgebildet, die, wie in Figur 3 zu erkennen ist, eine Stufe 8 aufweist, so dass ein erstes Zapfenteil 9 größeren Durchmessers und ein folgendes zweites Zapfenteil 10 kleineren Durchmessers gebildet wird. Auf dem ersten Zapfenteil 9 ist eine Dichtung 11 angeordnet, welche das rohrförmige Verteilerelement 3 gegen das Gehäuse 2 nach außen hin abdichtet, während auf dem zweiten Zapfenteil 10 ein Lager 12 angeordnet ist, über welches das Verteilerelement 3 drehbar im Gehäuse 2 gelagert ist.
Am gegenüberliegenden zweiten axialen Ende 13 ist in gleicher Weise eine zapfenförmige Verlängerung 14 mit einer Stufe 15 angeordnet, wobei wiederum auf dem Zapfenteil 16 größeren Durchmessers eine Dichtung 17 angeordnet ist und auf dem Zapfenteil 18 kleineren Durchmessers ein Lager 19 angeordnet ist. Im Vergleich zum ersten axialen Ende 6 des Verteilerelementes 3 ist der Zapfenteil 18 jedoch länger ausgebildet, so dass er sich über das axiale Ende des Gehäuses 2 hinaus erstreckt.
Das Verteilerelement 3 ist über dieses über das Gehäuse 2 hervorstehende Zapfenteil 18 mit einem Steuerelement 20 verbunden. Dieses Steuerelement 20 dient in vorliegender Ausführung als Kupplung 21 zu einer nicht dargestellten Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine. Dies erfolgt über einen Riemen, der auf einer Riemenscheibe 22 des Steuerelementes 20 läuft, so dass die Drehung der Nockenwelle über den Riemen zunächst auf die Riemenscheibe 22 und von der Riemenscheibe 22 auf das Verteilerelement 3 im feststehenden Gehäuse 2 übertragen wird, wobei die Übertragung zwischen Nockenwelle und Verteilerelement im Verhältnis 1 : 1 erfolgt.
Das Steuerelement 20 ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Phasenversteller ausgebildet, so dass durch Drehung eines Elektromotors 23 und einer daran angeordneten Schnecke 24 ein Hohlrad 25 eines Planetengetriebes 26 verstellt werden kann, wodurch der Drehwinkel eines Planetenträgers 27, der fest auf dem Zapfenteil 18 angeordnet ist, zum Drehwinkel der Riemenscheibe 22 und somit auch der Drehwinkel des Verteilerelementes 3 zur Nockenwelle verschoben werden kann. Dies bedeutet, dass der Zeitpunkt der Abgasrückführung in die einzelnen Zylinder im Vergleich zur Öffnungszeit der Einlassventile der Verbrennungskraftmaschine über das Steuerelement 20 vor- oder nachverlagert werden kann. Wie weiter vorne bereits beschrieben, weist das Verteilerelement 3 vier Einlassfenster 4 und vier Auslassfenster 5 auf. Die Einlassfenster 4 sind etwa gleichmäßig über den Umfang des Verteilerelementes 3 verteilt und bezüglich der Längserstreckung des Verteilerelementes 3 zentral am Umfang des Verteilerelementes 3 angeordnet. Die Einlassfenster 4 korrespondieren mit einem am Gehäuse 2 ausgebildeten Ringspalt 31, der über die Abgaseinlassöffnung 1, welche ebenfalls bezüglich der Längserstreckung des Gehäuses 2 zentral am Gehäuse 2 ausgebildet ist, mit Abgas versorgt wird. Somit besteht eine stetige fluidische Verbindung zwischen der Abgaseinlassöffnung 1 und dem Inneren des Verteilerelementes 3 über den Ringspalt 31. Es könnten bei einer derartigen Ausführung auch mehr oder weniger Einlassfenster 4 am Verteilerelement 3 ausgebildet werden, jedoch hat die Ausbildung mit vier Einlassfenstern 4, die den jeweiligen Auslassfenstern 5 gegenüberliegen den Vorteil eines geringeren Druckverlustes.
Am Gehäuse 2 sind auf der axial gegenüberliegenden Seite über die Länge des Gehäuses 2 verteilt vier Abgasauslassöffnungen 28 ausgebildet, wovon zwei bezüglich der Längserstreckung des Gehäuses 2 auf der einen Seite der Abgaseinlassöffnung 1 und zwei auf der anderen Seite der Einlassöffnung 1 ausgebildet sind. Die Abgasauslassöffnungen 28 korrespondieren derart mit den Auslassfenstern 5 des Verteilerelementes 3, dass bei einer Umdrehung des Verteilerelementes 3 der Reihe nach, entsprechend des Zündzeitpunktes der zugeordneten Zylinder, jeweils eine fluidische Verbindung des Inneren des Verteilerelementes 3 mit einer der Abgasauslassöffnungen 28 über das zugeordnete Auslassfenster 5 hergestellt wird. Hierzu sind die Auslassfenster 5 entsprechend des Zündversatzes der Verbrennungskraftmaschine über den Umfang des Verteilerelementes verteilt angeordnet.
Die Einlassfenster 4 sind derart zu den Auslassfenstern 5 am Verteilerelement 3 angeordnet, dass zu jedem Einlassfenster ein axial etwa gegenüberliegendes Auslassfenster 5 existiert, so dass die fluidische Verbindung zwischen der Abgaseinlassöffnung 1 und dem Inneren des Verteilerelementes 3 jeweils etwa synchron zur fluidischen Verbindung zwischen dem Inneren des Verteilerelementes 3 und einer der Abgasauslassöffnungen 28 erfolgt. In einer optimierten Ausführung ist der Ringspalt 31 geschlossen, so dass bei einer Umdrehung des Verteilerelementes 3 lediglich vier mal eine fluidische Verbindung zwischen dem Inneren des Verteilerelementes 3 und der Abgaseinlassöffnung 1 über die Einlassfenster 4 hergestellt wird. Dabei sollten die Einlassfenster 4 jeweils am Umfang geringfügig versetzt zu ihren korrespondierenden Auslassfenstern 5 angeordnet sein, so dass der über das Einlassfenster 4 in das Verteilerelement 3 einströmende Abgasstrom genau bei Öffnung des Auslassfensters 5 dieses erreicht. Dies bedeutet, dass die axial weiter außen liegenden Auslassfenster 5 aufgrund der längeren Wegstrecke etwas weiter zu den korrespondierenden Einlassfenstern versetzt angeordnet sein müssen. Dieser Versatz sollte jedoch an den Einlassfenstern 4 ausgeführt werden, so dass die gleichmäßige Verteilung der Auslassfenster 5 bestehen bleibt, wodurch die Abgaszuführung zum Zylinder bei jedem der Zylinder zum gleichen Zeitpunkt und mit gleicher Füllung erfolgt.
Wird nun Abgas über das Abgasrückführventil dosiert in den Abgasrückführkanl geleitet erreicht dieses zunächst die Abgaseinlassöffnung 1 des Gehäuses 2. Durch die Drehung des Verteilerelementes 3 mit Nockenwellengeschwindigkeit entsteht zunächst beispielsweise eine Überdeckung des zum ersten Zylinder korrespondierenden ersten Einlassfensters 4 mit dem Abgaseilasskanal 1, so dass Abgas in das Verteilerelement 3 einströmen kann. Bei korrekt gewähltem Versatz entsteht bei weiterer Drehung zu dem Zeitpunkt zu dem der Abgasstrom das zugehörige Auslassfenster 5 erreicht eine Überdeckung dieses zum ersten Zylinder gehörenden Auslassfensters 5 mit dem zugehörigen Abgasauslasskanal 28, so dass der Strömungsweg in den Einlasskanal des Zylinderkopfes geöffnet ist. Anschließend wird das zum nächsten zu zündenden Zylinder gehörende Einlassfenster 4 geöffnet und wiederum entsprechend zeitlich versetzt das zugehörige Auslassfenster 5. Selbstverständlich ist dieser Versatz sehr gering und aufgrund der unterschiedlichen Nockenwellengeschwindigkeiten und Abgaspulsationen nicht in jedem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine optimal, jedoch kann auf diese Art insbesondere die Abgasrückführung in Lastzuständen hoher Abgasrückführraten oder genau zu dosierender geringer Abgasrückführraten zusätzlich optimiert werden. In Figur 2 ist zu erkennen, dass das Gehäuse 2 des Verteilerelementes 3 direkt an einem Saugrohr 29 angeflanscht ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zwei Saugrohrkanäle 30 zugeordnet. Der Zylinderkopf muss entsprechend bei dieser Anordnung insgesamt drei Einlasskanäle pro Zylinder aufweisen, wovon zwei mit den Saugrohrkanälen korrespondieren und ein im rechten Winkel dazu angeordneter Einlasskanal mit dem Abgasauslasskanal 28 des Gehäuses 2 korrespondiert. Der zum Abgasauslasskanal 28 korrespondierende Einlasskanal führt innerhalb des Zylinderkopfes in einen oder beide der zum Saugrohr 29 korrespondierenden Einlasskanäle, so dass das Abgas- Luftgemisch dem jeweiligen Zylinder zugeführt wird. Somit wird das Abgas unmittelbar in den jeweiligen Einlasskanal des Zylinderkopfes dosiert.
Eine derartige Abgasrückführvorrichtung ermöglicht somit eine zyklusgenaue und zylinderselektive Rückführung des Abgases zu den Zylindern. Aufgrund der kurzen realisierten Weglängen und der entsprechenden Anordnung der Ein- und Auslassfenster erfolgt die Rückführung hochdynamisch und optimierbar zum Verbrennungszeitpunkt. Hierdurch können Emissionen von
Verbrennungskraftmaschinen weiter verringert werden. Es entsteht somit eine prozesssynchrone Abgasrückführsteuerung mit sehr geringen Totzeiten. Zusätzlich besteht eine hohe Integration zu den Bauteilen Saugrohr und Zylinderkopf, so dass der Bauraum- und Montageaufwand optimiert wird.
Selbstverständlich ist der Schutzumfang nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann statt der Kopplung zur Nockenwelle beispielsweise ein eigener Antrieb für das Verteilerelement in Form eines mit Nockenwellengeschwindigkeit drehenden Elektromotors vorgesehen werden. Dieser kann dann bei entsprechender Ansteuerung ebenfalls, ohne zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen, zur Phasenverschiebung genutzt werden. Auch kann das Verteilerelement direkt in das Saugrohr oder den Zylinderkopf integriert werden.
Die Zuführung des Abgases zum Gehäuse kann auch von einem axialen Ende des rohrförmigen Verteilerelementes erfolgen, wobei dann der Versatz der Ein- und Auslassfenster zueinander entsprechend der Weglängen anzupassen ist. Auch kann beispielsweise bei einer vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine das Gehäuse zwei Abgaseinlassöffnungen aufweisen, die jeweils mit den auf einem festen Umfang verteilten Einlassfenstern korrespondieren. Bei einer derartigen Ausführung können dann im gleichen Abstand zu beiden Seiten der auf einem festen Umfang verteilten Einlassfenster die korrespondierenden Auslassfenster angeordnet werden. Zusätzlich sollten dann in der Mitte des Verteilerelementes zwischen den korrespondierenden Gruppen von Einlassfenstern und Auslassfenstern eine Trennwand angeordnet werden, wodurch vorteilhafte Effekte bezüglich der Gleichverteilung der Abgasmenge auf alle vier Zylinder zu erwarten sind.
Weitere konstruktive Änderungen im Sinne des Hauptanspruchs sind ebenfalls denkbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasmengenregler und mit einem Gehäuse, in dem eine Abgaseinlassöffnung und mehrere zur Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Abgasauslassöffnungen angeordnet sind, wobei zwischen der Abgaseinlassöffnung und den Abgasauslassöffnungen ein bewegbares Verteilerelement angeordnet ist, welches korrespondierend zur Drehzahl einer Nockenwelle der
Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist und zumindest ein Auslassfenster und zumindest ein Einlassfenster aufweist, so dass über das Verteilerelement eine fluidische Verbindung der
Abgaseinlassöffnung mit je einer der Abgasauslassöffnungen herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerelement (3) rohrförmig ausgebildet ist und eine zur Anzahl der Abgasauslassöffnungen (28) korrespondierende Anzahl an Auslassfenstern (5) aufweist, die korrespondierend zum Zündversatz des Verbrennungsmotors über den Umfang des Verteilerelementes (3) verteilt angeordnet sind, wobei die Abgasauslassöffnungen (28) des Gehäuses (2) unmittelbar in die
Einlasskanäle des Zylinderkopfes münden.
2. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerelement (3) über eine Kupplung (20) mit der Nockenwelle verbunden ist und sich mit der Drehzahl der Nockenwelle dreht.
3. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Verteilerelement (3) direkt oder indirekt über einen Elektromotor mit der Drehzahl der Nockenwelle angetrieben ist.
4. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) des Verteilerelementes (3) am Saugrohr (29) und am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angeflanscht ist.
5. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel des Verteilerelementes (3) im Vergleich zur Nockenwelle über den Elektromotor oder über ein Steuerelement verdrehbar ist.
6. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaseinlassöffnung (1) am axialen Ende des Gehäuses (2) des Verteilerelementes (3) angeordnet ist und das zugehörige Einlassfenster (4) durch ein axial offenes Ende des rohrförmigen Verteilerelementes (3) gebildet ist.
7. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaseinlassöffnung (1) bezüglich der Längserstreckung des
Verteilerelementes (3) zentral in einen Ringspalt (31) des Gehäuses (2) führt und am Verteilerelement (3) über den Umfang verteilt Einlassfenster (4) angeordnet sind, die mit dem Ringspalt (31) fluidisch verbunden sind.
8. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mehrere Abgaseinlassöffnungen (1) aufweist, von denen jede mit zumindest einem Einlassfenster (4) des Verteilerelementes (3) fluidisch verbindbar ist, wobei die Einlassfenster (4) jeweils zentral zwischen einem Paar benachbarter Auslassfenstern (5) angeordnet sind und im Verteilerelement (3) Trennwände angeordnet sind, die jeweils das einem Einlassfenster (4) zugeordnete Paar Auslassfenster (3) vom benachbarten Paar Auslassfenster (3) trennt.
9. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassfenster (5) korrespondierend zum Zündversatz der Verbrennungskraftmaschine auf dem Umfang des Verteilerelementes (3) angeordnet sind und die Einlassfenster (4) zum zugehörigen Auslassfenster (5) bezüglich der Drehung entsprechend der Zeit, die das Abgas benötigt um vom Einlassfenster (4) zum Auslassfenster (5) zu gelangen, nach vorne versetzt angeordnet sind.
10. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerelement (3) an seinen axialen Enden (6, 13) jeweils eine zapfenförmige Verlängerung (7, 14) mit einer Stufe (8, 15) aufweist, wobei auf dem Zapfenteil (9, 16) größeren Durchmessers jeweils zwischen Gehäuse (2) und Zapfenteil (9, 16) eine Dichtung (11, 17) angeordnet ist und auf dem Zapfenteil (10, 18) kleineren Durchmessers zwischen Gehäuse (2) und Zapfenteil (10, 18) jeweils ein Lager (12, 19) angeordnet ist.
11. Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmengenregler ein Abgasrückführventil ist, welches im Abgasrückführkanal angeordnet ist.
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