WO2004111402A1 - Brennkraftmaschine mit abgasströmungsleitelement - Google Patents

Brennkraftmaschine mit abgasströmungsleitelement Download PDF

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Hans-Karl Weining
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle with a combustion chamber, to which an inlet channel for the supply of fuel gas, an outlet channel for the removal of combustion products and a fuel supply unit for the supply of liquid fuel are assigned, a secondary gas supply device being provided on the outlet channel, via which an exhaust gas flow Secondary gas, in particular secondary air, can be supplied.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine for a motor vehicle with as simple as possible means of reduced emissions of unburned or partially burned fuel components, especially during cold start operation.
  • the internal combustion engine according to the invention is characterized by a flow guiding element arranged in the outlet duct for swirling, for generating swirl and / or for mixing a gas flow consisting of exhaust gas and / or secondary gas in the outlet duct.
  • the secondary gas in particular secondary air, can be introduced into the exhaust port through a secondary gas channel formed in or on the cylinder head and can be mixed with the exhaust gas, whereby the hot exhaust gas can be cooled on the one hand and chemically converted on the other hand by means of the secondary gas.
  • a secondary air duct is provided in order to bring secondary air into the exhaust duct or as close as possible to a corresponding outlet valve or its valve seat.
  • the exhaust gas stream or the mixed gas flow consisting of exhaust gas and secondary air is provided with a swirl or another swirling motion.
  • the secondary air flow can also be swirled.
  • a flow guiding element is provided in the outlet channel, which causes rotation and / or swirling of the gases flowing past with preferably low flow resistance.
  • the flow guide element is designed as a separate insert element with a plurality of guide vanes for generating swirl. Using the guide vanes, a swirl can be generated largely without loss and in the desired intensity and direction.
  • individual flow guide elements can also be made in one piece with the cylinder head.
  • the flow guide element is inserted into the outlet channel downstream of the secondary gas supply device. This ensures reliable mixing of a gas flow consisting of exhaust gas and secondary gas.
  • a constriction, in particular a nozzle, for the exhaust gas flow of the internal combustion engine is produced in the outlet duct with the aid of the secondary air guide element.
  • the secondary air guide element is cylindrical and is introduced into the outlet channel in such a way that a secondary air channel with an annular cross section is formed between the secondary air guide element and the outlet channel wall.
  • the exhaust gas flow can be completely encased in the secondary air duct. Secondary air and / or recirculated exhaust gas can be supplied to the exhaust gas flow on all sides.
  • flow guiding elements and / or turbulence promoters are arranged on the secondary air guiding element. This results in a particularly good mixing of secondary air and exhaust gas.
  • a constriction is in the outlet duct, in particular a nozzle, made for the exhaust gas flow of the internal combustion engine.
  • the outlet duct in particular a nozzle
  • the single figure shows a schematic representation of a longitudinal section through an outlet channel with a flow guide element according to the invention.
  • An internal combustion engine 1 for a motor vehicle has a cylinder head 1a, which together with a movable piston serves to limit a preferably cylindrical combustion chamber 2 in an engine block of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine can be operated using the diesel or the Otto method.
  • an inlet channel for supplying fuel gas in the form of combustion air into the combustion chamber and an outlet channel 3 for removing combustion products from the combustion chamber are provided in the cylinder head Ia.
  • the exhaust port 3 is delimited by a wall 1b on the part of the cylinder head.
  • a fuel supply unit for supplying liquid fuel to the combustion chamber 2 is also provided; this is preferably an inlet duct or a direct injection system with corresponding nozzles or injectors and at least one delivery unit (fuel pump).
  • Liquid hydrocarbons for example gasoline or diesel fuel, are preferably used as the fuel under ambient conditions.
  • a section through the cylinder head 1 a is shown, which runs in a direction parallel to the longitudinal axis of the exhaust port 3.
  • a flow guide element 6 is shown schematically therein.
  • the flow control element 6 is inserted in the outlet channel 3 in the form of an insert element.
  • the flow guide element 6 is designed as a dimensionally stable sleeve which is adapted to the contour of the outlet channel 3 and which has a plurality of guide vanes 6a, which are preferably arranged symmetrically with respect to the outlet channel axis.
  • the secondary air guiding element 6 is not designed as a separate component, but rather in one piece with the cylinder head 1.
  • a plurality of guide vanes are made in one piece with the cylinder head.
  • a secondary air channel 4 is provided on the outlet channel 3, via which secondary gas in the form of fresh air, recirculated exhaust gas, a mixture of air and recirculated exhaust gas or another oxygen-containing gas can be fed into the exhaust channel 3.
  • the flow guide element is designed as a piece of pipe inserted between the cylinder head and an exhaust manifold, in which a plurality of guide vanes are in turn arranged.
  • the flow guiding element is in one piece with an exhaust manifold
  • secondary air is supplied to the secondary air duct 4 by means of a pump or a similar delivery device via the bore 4 at intervals or continuously.
  • This secondary air emerges from the secondary air duct 4, as indicated by an arrow 5. It then becomes the exhaust gas stream leaving the combustion chamber 2 added.
  • the mixture flow thus formed is, as indicated by arrow 7, deflected via the flow guide element 6 or its guide vanes 6a, provided with a swirl and / or swirled.
  • the secondary air duct is coupled downstream of the flow control element to the outlet duct.
  • the flow guide element 6 forms a nozzle-like constriction, so that in addition to the deflection, there is an acceleration effect for the flow in the flow guide element.
  • the reverse approach of forming an extension point to reduce the flow velocity at the flow control element can also be followed.
  • the secondary air flow can be mixed in the manner described with particularly simple means and particularly effectively and specifically with the exhaust gas flow.
  • fuel components expelled partially or unburned from a combustion chamber of the internal combustion engine can be reacted with the aid of the secondary air, i.e. implement chemically.
  • the aid of the secondary air i.e. implement chemically.
  • fuel emissions are reacted to and effectively eliminated, particularly when the internal combustion engine is cold started.
  • An internal combustion engine with cold start behavior that is significantly improved with respect to fuel or hydrocarbon emissions is provided.

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Abstract

Brennkraftmaschine mit Strömungsleitelement. Es wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem Brennraum (2), dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind, wobei an dem Auslasskanal eine Sekündargaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft zuführbar ist. Erfindungsgemass ist bei der Brennkraftmaschine in dem Auslasskanal (3) ein Strömungsleitelement (6) angeordnet zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal (3) vorliegenden Gasströmung bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Brennkraftτπaschine mit Abgasstrδmungsleitelement
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum, dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind, wobei an dem Auslasskanal eine Sekundärgaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft zuführbar ist.
Beim Kaltstart wird einem Verbrennungsmotor häufig mehr Kraftstoff zugeführt als er verbrennen kann, zusätzlich werden Kraftstoffbestandteile in Spalten zwischen Ventilen und Ventilsitzringen, in Spalten an Zündkerzen und am Feuersteg von der Teilnahme an der Verbrennung abgehalten. Entsprechend werden unverbrannte Kraftstoffbestandteile mit dem Abgas der Brennkraftmaschine aus den Brennräumen entlassen. Sie schlagen sich wenigstens teilweise als Wandbenetzung an gasführenden Teilen des Auslasskanals nieder und bilden einen Wandfilm mit unterschiedlicher Ausprägung, je nach Oberflächentemperatur, Oberflächenrauhigkeit und Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur etc.) im Auslasskanal .
Es ist bekannt, im Abgastrakt eine Nachreaktion von im Abgas vorhandenen Kraftstoffbestandteilen zu ermöglichen, wobei sowohl Katalysatoren als auch eine Sekundärlufteinblasung zur Anwendung kommen. Eine Sekundärlufteinblasung, die in einem vom Ventilsitz beabstandeten Bereich stattfindet weist allerdings eine reduzierte Wirksamkeit auf, sofern nicht eine ausreichende Durchmischung von Sekundärluft und Abgas erfolgt. Auch für einen in den Abgastrakt eingeschalteten Oxidationskatalysator ist eine gute Durchmischung der zugeführten Gasströmung von Vorteil .
Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst einfachen Mitteln eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit insbesondere im Kaltstartbetrieb reduzierten Emissionen an unverbrannten oder teilverbrannten Kraftstoffbestandteilen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich aus durch ein in dem Auslasskanal angeordnetes Strömungsleitelement zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal vorliegenden Gasströmung bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas. Das Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft ist durch einen im oder am Zylinderkopf gebildeten Sekundärgaskanal in den Auslasskanal einbringbar und mit dem Abgas vermischbar, wobei mittels des Sekundärgases das heiße Abgas einerseits gekühlt und andererseits weiter chemisch umgesetzt werden kann. Insbesondere ist ein Sekundärluftkanal vorgesehen, um Sekundärluft in den Abgaskanal bzw. möglichst nahe an ein entsprechendes Auslassventil bzw. dessen Ventilsitz heranzuführen. Zur Vermischung der Sekundärluft mit dem aus dem Brennraum ausgestoßenen Abgasstrom ist vorgesehen, entweder den Abgasstrom oder die aus Abgas und Sekundärluft bestehende Mischgasströmung mit einem Drall oder einer sonstigen Wirbelbewegung zu versehen. Gegebenenfalls kann auch die Sekundärluftströmung mit einem Drall versehen werden. Dazu ist ein Strömungsleitelement im Auslasskanal vorgesehen, das mit vorzugsweise geringem Strömungswiderstand eine Rotation und/oder Verwirbelung der vorbeistrδmenden Gase bewirkt. In Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement als separates Einsatzelement mit mehreren Leitschaufeln zur Drallerzeugung ausgestaltet. Mittels der Leitschaufeln ein Drall weitgehend verlustfrei und in der gewünschten Intensität und Richtung erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend können einzelne Strömungsleitelemente auch einstückig mit dem Zylinderkopf ausgeführt sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungs- leitelement stromab der Sekundärgaszufuhreinrichtung in den Auslasskanal eingesetzt. Dadurch wird eine zuverlässige Durchmischung einer Gasströmung bestehend aus Abgas und Sekundärgas sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mit Hilfe des Sekundärluftleitelementes im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärluft- leitelement derart zylindrisch ausgebildet und in den Auslasskanal eingebracht, dass zwischen Sekundärluftleitelement und Auslasskanalwand ein Sekundärluftkanal mit ringförmigem Querschnitt gebildet ist. Auf diese Weise lässt sich die Abgasströmung vollständig mit dem Sekundärluftkanal ummanteln. Sekundärluft und/oder rückgeführtes Abgas kann allseitig der Abgasströmung zugeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an dem Sekundärluftleitelement Strόmungsleitelemente und/oder Turbulenz- promotoren angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Durchmischung von Sekundärluft und Abgas.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mit Hilfe des Sekundärluftleitelementes im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt. An der Engstelle ergibt sich eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der AbgasStrömung, und ein verminderter statischer Druck, so dass Frischluft aus dem Sekundärluftkanal in die Abgasstrδmung einsaugbar ist.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus der Zeichnung. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Die einzige Figur zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Auslasskanal mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitelement .
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug weist einen Zylinderkopf Ia auf, der gemeinsam mit einem beweglichen Kolben zur Begrenzung eines vorzugsweise zylindrischen Brennraumes 2 in einem Motorblock der Brennkraftmaschine dient. Die Brennkraftmaschine kann nach dem Diesel- oder auch nach dem Otto-Verfahren betrieben werden. In dem Zylinderkopf Ia sind ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas in Form von Verbrennungsluft in den Brennraum hinein sowie ein Auslasskanal 3 zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten aus dem Brennraum heraus vorgesehen. Der Auslasskanal 3 ist dabei von einer Wandung Ib seitens des Zylinderköpfes begrenzt. Ferner ist eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum 2 vorgesehen; dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Einlasskanal- oder ein Direkteinspritzsystem mit entsprechenden Düsen bzw. Injektoren sowie wenigstens einer Fördereinheit (Kraftstoffpumpe) . Als Kraftstoff werden vorzugsweise bei Umgebungsbedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzin oder Dieselkraftstoff verwendet . In der Figur ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf Ia dargestellt, der in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslasskanals 3 verläuft. Darin ist schematisch ein Strömungsleitelement 6 dargestellt.
Das Strδmungsleitelement 6 ist in Form eines Einsatzelements in den Auslasskanal 3 eingesetzt. Das Strömungsleitelement 6 ist als formstabile, an die Kontur des Auslasskanals 3 angepasste Hülse gestaltet, die mehrere, bevorzugt symmetrisch bezüglich der Auslasskanalachse angeordnete Leitschaufeln 6a aufweist . In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Sekundärluftleitelement 6 nicht als separates Bauteil, sondern einstückig mit dem Zylinderkopf 1 ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind ergänzend oder alternativ mehrere Leitschaufeln einstückig mit dem Zylinderkopf ausgeführt.
Stromaufwärts des Strδmungsleitelementes 6 ist an dem Auslass- kanal 3 ein Sekundärluftkanal 4 vorgesehen, über den Sekundärgas in Form von Frischluft, rückgeführtem Abgas, einem Gemisch aus Luft und rückgeführtem Abgas oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas in den Auslasskanal 3 zuführbar ist.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement als zwischen dem Zylinderkopf und einem Auspuffkrümmer eingesetztes Rohrstück ausgeführt, in dem wiederum mehrere Leitschaufeln angeordnet sind.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement einstückig mit einem Auspuffkrümmer
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird dem Sekundärluftkanal 4 mittels einer Pumpe oder einer ähnlichen Fördereinrichtung über die Bohrung 4 in Intervallen oder kontinuierlich Sekundärluft zugeführt. Diese Sekundärluft tritt, wie durch einen Pfeil 5 angedeutet aus dem Sekundärluftkanal 4 aus. Sie wird dann dem den Brennraum 2 verlassenden Abgasstrom beigemischt. Die so gebildete Gemischströmung wird, wie durch Pfeil 7 angedeutet, über das Strömungsleitelement 6 bzw. dessen Leitschaufeln 6a umgelenkt, mit einem Drall versehen und/oder verwirbelt .
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Sekundärluftkanal stromabwärts hinter dem Strδmungsleitelement mit dem Auslasskanal gekoppelt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel bildet das Strömungsleitelement 6 eine düsenähnliche Engstelle, so dass sich zusätzlich zur Umlenkung ein Beschleunigungseffekt für die Strömung im Strömungs- leitelement ergibt. Ebenso gut ist der umgekehrte Ansatz der Bildung einer Erweiterungsstelle zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit am Strδmungsleitelement zu verfolgen.
Die Sekundärluftströmung lässt sich auf die beschriebene Weise mit besonders einfachen Mitteln und besonders effektiv und gezielt mit dem Abgasstrom vermischen. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich teil- oder unverbrannt aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgestoßene Kraftstoffbestandteile mit Hilfe der Sekundärluft nachreagieren, d.h. chemisch umsetzen. Somit werden Kraftstoffemissionen insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine nachreagiert und wirkungsvoll beseitigt . Es ist eine Brennkraftmaschine mit hinsichtlich Kraftstoff- bzw. Kohlenwasserstoffemissionen nennenswert verbessertem Kaltstartverhalten bereitgestellt .

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum (2) , dem
- ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas,
- ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie
- eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind, wobei
- an dem Auslasskanal eine Sekundärgaszufuhreinrichtung vorgesehen ist, über die einem Abgasstrom Sekundärgas, insbesondere Sekundärluft zuführbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
- in dem Auslasskanal (3) ein Strömungsleitelement (6) angeordnet ist zur Verwirbelung, zur Drallerzeugung und/oder zur Durchmischung einer im Auslasskanal (3) vorliegenden Gasströmung bestehend aus Abgas und/oder Sekundärgas.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Strömungsleitelement (6) als separates Einsatzelement mit mehreren Leitschaufeln zur Drallerzeugung ausgestaltet ist .
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Strömungsleitelement (6) stromab der Sekundärgaszufuhreinrichtung in den Auslasskanal (3) eingesetzt ist. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s mit Hilfe des Strömungsleitelementes (6) im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt ist.
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