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DE102005043130A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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DE102005043130A1
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DE
Germany
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exhaust gas
exhaust
gas recirculation
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102005043130A
Other languages
English (en)
Inventor
Rüdiger Dipl.-Ing. Pfaff
Karsten Dipl.-Ing. Scheible
Marco Dr. Stolz
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
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Priority to PCT/EP2006/008001 priority patent/WO2007028482A1/de
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Abstract

Eine Brennkraftmaschine (1) weist wenigstens einen Zylinder (2) auf, zu dem wenigstens ein Einlasskanal (3) führt und von dem wenigstens ein Auslasskanal (5) ausgeht. Es sind wenigstens ein die Luftzufuhr zu dem Zylinder (3) über den Einlasskanal (3) steuerndes Einlassventil (4) und wenigstens ein die Abgasabfuhr aus dem Zylinder (2) über den Auslasskanal (5) steuerndes Auslassventil (6) vorgesehen. Wenigstens eines der Auslassventile (6) und/oder Einlassventile (4) ist zum Durchführen einer inneren Abgasrückführung variabel ansteuerbar. Der Einlasskanal (3) schließt sich an eine Einlassleitung (14) an und an den Auslasskanal (5) schließt sich eine Abgasleitung (7) an. Eine äußere Abgasrückführung ist durchführbar, indem von der Abgasleitung (7) eine Abgasrückführleitung (12) abzweigt, welche in einem Bereich mit einem niedrigen Abgasdruck in die Einlassleitung (14) mündet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Bei tiefen Temperaturen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 0 und –25 °C, kommt es bei Dieselbrennkraftmaschinen mit sehr niedrigem Verdichtungsverhältnis nach dem Kaltstart zunehmend zu Aussetzern bzw. die Verbrennung erlischt während der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine im Teillastbereich sogar komplett.
  • Andererseits steigen durch NOx-Reduktionsmaßnahmen die HC/CO-Emissionen im Startbereich eines Testzyklusses, wie beispielsweise des NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) oder FTP 74 (Federal Test Procedure) stark an, sodass bei einer weiteren Verschärfung der gesetzlichen Grenzwerte diese nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand durch Abgasnachbehandlung unterschritten werden können. Der Startbereich des Testzyklusses ist durch Außentemperatur im Bereich von +20 bis +30°C gesetzlich vorgeschrieben. Insbesondere bei diesen Temperaturen verschärft sich die eben beschriebene HC-Problematik. Erschwerend kommt hinzu, dass die Abgaskatalysatoren der Abgasnachbehandlung aufgrund der kalten Brennkraftmaschine, den damit verbundenen niedrigen Abgastemperaturen und der kalten Abgasanlage noch nicht in der Lage sind, sowohl die HC- als auch die CO-Emissionen katalytisch zu konvertieren.
  • Zum Verbessern des Betriebsverhaltens von Brennkraftmaschinen und deren Abgasqualität wird ein Teil des Abgases der Verbrennungsluft beigemischt. Man unterscheidet zwischen zwei Arten der so genannten Abgasrückführung, nämlich der äußeren, kalten und der inneren, heißen Abgasrückführung. Bei der äußeren Abgasrückführung wird aus dem Abgassystem ein Teil des Abgases entnommen und über eine Abgasrückführungsleitung in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine eingespeist. Da dies nur möglich ist, wenn zwischen der Entnahmestelle des Abgases und der Einspeisestelle ein Druckgefälle besteht, müssen bei Brennkraftmaschinen mit einer Aufladung der Verbrennungsluft entsprechende Vorkehrungen getroffen werde. Die innere Abgasrückführung wird durch eine entsprechende Auslegung der Steuerzeiten der Gaswechselventile erreicht, indem ein Teil des Abgases im Zylinder zurückgehalten oder über die Einlassventile in die Einlasskanäle geschoben oder über die Auslassventile während der Einlassphase aus dem Abgassystem in den Zylinder zurückgesaugt wird. Um die innere Abgasrückführung den Erfordernissen der Brennkraftmaschine anpassen zu können, werden variabel betätigbare Einlass- und/oder Auslassventile verwendet. Es sind beispielsweise Einzelventilbetätigungen bekannt, die in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind. Einfachere Lösungen ergeben sich in den ersten beiden Fällen durch ein Verschieben (Phasing) der Steuerzeiten der Gaswechselventile mittels eines Nockenwellenstellers oder im letzten Fall durch eine asymmetrische Nockenumschaltung gegebenenfalls mit einer Beeinflussung des Dralls.
  • Aus der US 2003/005898 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit variabel elektronisch ansteuerbaren Gaswechselventilen, nämlich zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen je Zylinder, bekannt, von denen die entsprechenden Einlassventile während der normalen Auslassphase noch einmal öffnen können, sodass ein Teil des Abgases vom Zylinder in die Einlassungsöffnung strömt und bei der nächsten Einlassphase in den Zylinder zurückkehrt, während hier ein Teil der Abgase, der zuvor in die Auslassöffnung geströmt ist, in den Zylinder zurückkehrt, wenn das Auslassventil während der Einlassphase zusätzlich öffnet. Bei üblichen Brennkraftmaschinen ist die innere Abgasrückführung nur in einem beschränkten Maße möglich, da sonst die Rotationsbewegung der Verbrennungsluft und der Brenngase gestört würde. Um die Schadstoffemission durch eine größere Toleranz der inneren Abgasrückführung herabzusetzen, sind je Zylinder zwei Einlasskanäle vorgesehen, von denen einer etwa tangential in den Zylinder mündet, während der andere eine spiralförmige Gestalt besitzt und somit in der einströmenden Luft einen Drall erzeugt. Die zugeordneten Einlassventile können unterschiedlich angesteuert werden, sodass die Stärke des Dralls im Zylinder moduliert werden kann. Durch die variable Ansteuerung der Gaswechselventile kann außerdem das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine herabgesetzt werden, beispielsweise bei Dieselbrennkraftmaschinen auf ein Verdichtungsverhältnis von 17:1 oder darunter.
  • Aus der US 6 439 210 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer inneren Abgasrückführung bekannt, bei der eines der Auslassventile während der Auslassphase geschlossen wird. Ferner kann während der Auslassphase das Einlassventil geöffnet und geschlossen werden. Dabei ist es möglich, die Öffnungszeit des Auslassventils zu verkürzen.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche sowohl in der Kaltstartphase als auch im regulären Betrieb stets eine optimale Abgasrückführung gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäß von der Abgasleitung in einen Bereich mit einem niedrigen Abgasdruck in die Einlassleitung mündende Abgasrückführleitung kann in ein und derselben Brennkraftmaschine eine innere Abgasrückführung durch eine entsprechende Ansteuerung der Aus- oder Einlassventile und eine äußere Niederdruckabgasrückführung durchgeführt werden, wodurch die beiden prinzipbedingten Vorteile dieser Abgasrückführmethoden kombiniert werden.
  • Die Vorteile der inneren Abgasrückführung sind unter anderem in der Stabilisierung des Kaltlaufs bei sehr tiefen Temperaturen zu sehen, was insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit niedrigen Verdichtungsverhältnissen erforderlich ist, um Zündaussetzer zu vermeiden. Des weiteren werden durch die innere Abgasrückführung die Abgastemperaturen erhöht und es wird außerdem der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert, wodurch sich dieselbe erheblich schneller erwärmt. Bezüglich des Komforts für Insassen eines mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist dies ebenfalls vorteilhaft, da hierdurch die Beheizung des Innenraums verbessert werden kann. Durch die Erhöhung der Abgastemperatur ergibt sich des weiteren ein schnelleres Ansprechend des Katalysators, wodurch eine weitere Absenkung der HC/CO-Emissionen erreicht werden kann.
  • Bei einer geeigneten Brennraumgeometrie kann der sich gegebenenfalls ergebende Drall zu einer Reduktion von Partikeln und CO-Emissionen genutzt werden, wodurch der sich durch die innere Abgasrückführung ergebende Nachteil der HC-Absenkung kompensiert wird.
  • Die äußere Niederdruck-Abgasrückführung, also die Abgasrückführung mit sehr geringem Druck, führt zu einer sehr guten Gleichverteilung, wodurch erhebliches Potenzial hinsichtlich einer Reduzierung der Emissionen gegeben ist. Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund der inneren Abgasrückführung im Kaltstartbetrieb und der sich dadurch ergebenden Erhöhung der Abgastemperaturen im Vergleich zu der Anordnung bei der Hochdruck-Abgasrückführung auf eine Bypassleitung und ein Bypassventil verzichtet werden kann, über welche bei der Hochdruck- Abgasrückführung der Abgasrückführkühler während des Kaltstarts umgangen werden muss.
  • Dadurch, dass beide Arten der Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine vorhanden sind, ist es möglich, die Abgasrückführrate annähernd bei jedem Arbeitsspiel zu ändern, insbesondere da die innere Abgasrückführung sehr schnell reagiert und sich für das Umschalten zwischen einzelnen Brennverfahren eignet. Dadurch kann der gegebenenfalls vorhandene Nachteil bezüglich der Dynamik der Niederdruck-Abgasrückführung kompensiert und zur luftseitigen Verbrennungsregelung angewendet werden.
  • In einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung in einem sich in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor einem Verdichter eines Abgasturboladers befindlichen Bereich in die Einlassleitung mündet. Auf diese Weise ist auch bei der insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen häufig zum Einsatz kommenden Aufladung mittels eines Abgasturboladers die mögliche Durchführung der Niederdruck-Abgasrückführung sichergestellt.
  • Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung durch einen Ladeluftkühler verläuft. Auf diese Weise wird eine erheblich verbesserte Kühlung des rückgeführten Abgases erreicht, wodurch sich gegenüber der Hochdruck-Abgasrückführung ein Potenzial hinsichtlich der Verringerung von Emissionen ergibt. Durch diese Kühlung der rückgeführten Abgase ist es des weiteren möglich, die innere und die äußere Abgasrückführung gleichzeitig zu betreiben, um auf diese Weise eine Mischtemperatur des rückgeführten Abgases zu erreichen.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung dargestellt.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform zum Erreichen einer inneren Abgasrückführung; und
  • 3 ein Diagramm, in dem die Raten der inneren und der äußeren Abgasrückführung über der Temperatur der Brennkraftmaschine aufgetragen sind.
  • 1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, welche im vorliegenden Fall mehrere Zylinder 2 aufweist. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich insbesondere um eine Dieselbrennkraftmaschine, die eine niedrige Verdichtung aufweist, da bei einer solchen Brennkraftmaschine 1 die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen besonders sinnvoll sind.
  • Zu den Zylindern 2 führen jeweilige Einlasskanäle 3, in denen jeweils zwei Einlassventile 4 angeordnet sind, um die Luftzufuhr zu den Zylindern 2 in an sich bekannter Weise zu steuern. Von jedem Zylinder 2 geht des weiteren ein Auslasskanal 5 aus, über den die in dem jeweiligen Zylinder 2 erzeugten Abgase abgeführt werden. Zur Steuerung der Abgasabfuhr aus den Zylindern 2 über die Auslasskanäle 5 sind jedem Zylinder 2 zwei Auslassventile 6 zugeordnet. Die Anzahl der Zylinder 2 sowie der Einlassventile 4 und der Auslassventile 6 ist als rein beispielhaft anzusehen und kann nahezu beliebig verändert werden.
  • An die Auslasskanäle 5 schließt sich eine Abgasleitung 7 an, in welcher in der mit "X" bezeichneten Strömungsrichtung nacheinander eine Turbine 8 eines Abgasturboladers 9, ein Partikelfilter 10 und ein Abgasrückführventil 11 angeordnet sind. Von der Abgasleitung 7 zweigt an dem Abgasrückführventil 11, also nach der Turbine 8, eine Abgasrückführleitung 12 ab, welche in einem Bereich vor einem Verdichter 13 des Abgasturboladers 9 in eine Einlassleitung 14 mündet. An die der Brennkraftmaschine 1 die zur Verbrennung erforderliche Luft zuführenden Einlassleitung 14 schließen sich die bereits oben genannten Einlasskanäle 3 an. Das Abgasrückführventil 11 kann sich auch an einer anderen geeigneten Stelle befinden, beispielsweise in einem mittleren Bereich der Abgasrückführleitung 12 oder an der Einmündung derselben in die Einlassleitung 14.
  • Dadurch, dass die Abgasrückführleitung 12 vor dem Verdichter 13 in die Einlassleitung 14 mündet, mündet sie in einen Bereich mit einem niedrigen Abgasdruck in die Einlassleitung 14, wodurch über die Abgasrückführleitung 12 eine äußere Rückführung von Abgas aus der Abgasleitung 7 in die Einlassleitung 14 mit einem niedrigen Druck durchgeführt werden kann, welche nachfolgend als Niederdruck-Abgasrückführung bezeichnet wird. Die Abgasrückführleitung 12 verläuft des weiteren durch einen Ladeluftkühler 15, in dem die rückgeführte Abgasmenge abgekühlt werden kann.
  • Neben der in 1 dargestellten äußeren Niederdruck-Abgasrückführung ist mit der Brennkraftmaschine 1 auch eine interne bzw. innere Abgasrückführung durchführbar, wozu in 2 ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Dabei sind die beiden Auslassventile 6 dargestellt, welche von einer Auslassnockenwelle 16 gesteuert werden, von welcher im vorliegenden Fall zwei auf die Auslassventile 6 wirkenden Nocken 17a und 17b dargestellt sind. Die Auslassnockenwelle 16 kann mittels eines in an sich bekannter Weise ausgeführten Nockenwellenverstellers 18 gegenüber einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 verdreht werden, um auf diese Weise ein früheren Öffnen und Schließen von wenigstens einem der Auslassventile 6 hervorzurufen, um auf diese Weise den inneren Restgasanteil im Brennraum des Zylinders 2 einzu schließen und eine innere Abgasrückführung durchzuführen. Da die restlichen abgebildeten Bauteile der Steuerung der beiden Auslassventile 6 für die Funktion der inneren Abgasrückführung nicht relevant sind, werden sie hierin nicht ausführlich beschrieben.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung der inneren Abgasrückführung besteht darin, dass im vorliegenden Fall neben dem Nocken 17b zwei weitere, erheblich schmalere Nocken 19a und 19b angeordnet sind und es in an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter Art und Weise möglich ist, auf einen dieser Nocken 19a oder 19b umzuschalten und dadurch ein früheres Öffnen des Auslassventils 6 zu erreichen.
  • Durch eine geeignete Geometrie des Brennraums ist es möglich, bei der inneren Abgasrückführung den Drehimpuls bzw. Drall des Gasgemisches zu erhöhen, was beispielsweise durch eine Sitzabdeckung des Auslassventils 6 erreicht werden kann. Dadurch kann auch die Emission von Partikeln und Kohlenmonoxid verringert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Möglichkeiten der inneren Abgasrückführung dargestellt, es ist aber selbstverständlich auch möglich, auf eine der beiden Möglichkeiten zu verzichten.
  • Im vorliegenden Fall ist lediglich die Auslassnockenwelle 16 dargestellt, es wäre jedoch auch alternativ oder insbesondere zusätzlich möglich, eine nicht dargestellte Einlassnockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Richtung eines späteren Öffnens von wenigstens einem der beiden Einlassventile 4 zu verdrehen. Gegebenenfalls sind auch noch andere, bereits bekannte Formen der inneren Abgasrückführung anwendbar.
  • Mit der in 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 kann also sowohl eine innere als auch eine äußere Abgasrückführung durchgeführt werden, wodurch die jeweiligen Vorteile dieser beiden Abgasrückführmethoden kombiniert werden. Bei der inneren Abgasrückführung ergibt sich üblicherweise ein hoher Zündverzug, der zu einer schlechteren Verbrennung und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 führt, wohingegen bei der äußeren, heißen Abgasrückführung eine bessere Zündung gegeben ist. Des weiteren ist es durch diese Konstruktion der Brennkraftmaschine 1 möglich, annähernd bei jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 die Abgasrückführrate zu ändern, wodurch die fehlende Dynamik der Niederdruck-Abgasrückführung kompensiert wird.
  • In dem Diagramm von 3 ist durch die mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Linie die Abgasrückführrate der inneren Abgasrückführung über der Temperatur Tmot der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen, wohingegen die mit 21 bezeichnete Linie die Menge des über die äußere Abgasrückführung rückgeführten Abgases über der Temperatur Tmot der Brennkraftmaschine 1 angibt. Es ist erkennbar, dass bei niedrigen Temperaturen der Brennkraftmaschine 1, also insbesondere während des Kaltstarts derselben, ausschließlich eine innere Abgasrückführung durchgeführt wird, wobei die Abgasrückführrate der inneren Abgasrückführung mit zunehmender Temperatur Tmot der Brennkraftmaschine 1 abnimmt. Dagegen steigt die über die äußere Abgasrückführung rückgeführte Abgasmenge mit der Temperatur Tmot der Brennkraftmaschine 1, wobei es erst bei bestimmten Temperaturen sinnvoll ist, die äußere Abgasrückführung zu verwenden.
  • In 3 ist des weiteren erkennbar, dass bei bestimmten Temperaturen Tmot der Brennkraftmaschine 1 sowohl eine innere als auch eine äußere Abgasrückführung durchgeführt werden kann, was zu einer gemischten Temperatur der rückgeführten Abgasmenge führt.

Claims (7)

  1. Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, zu dem wenigstens ein Einlasskanal führt und von dem wenigstens ein Auslasskanal ausgeht, wobei wenigstens ein die Luftzufuhr zu dem Zylinder über den Einlasskanal steuerndes Einlassventil und wenigstens ein die Abgasabfuhr aus dem Zylinder über den Auslasskanal steuerndes Auslassventil vorgesehen sind, wobei wenigstens eines der Auslassventile und/oder Einlassventile zum Durchführen einer inneren Abgasrückführung variabel ansteuerbar ist, wobei sich der Einlasskanal an eine Einlassleitung anschließt, und wobei sich an den Auslasskanal eine Abgasleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Abgasrückführung durchführbar ist, indem von der Abgasleitung (7) eine Abgasrückführleitung (12) abzweigt, welche in einem Bereich mit einem niedrigen Abgasdruck in die Einlassleitung (14) mündet.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (12) in einem sich in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor einem Verdichter (13) eines Abgasturboladers (9) befindlichen Bereich in die Einlassleitung (14) mündet.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (12) in Strömungsrichtung der Abgase nach einer Turbine (8) des Abgasturboladers (9) von der Abgasleitung (7) abzweigt.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (12) durch einen Ladeluftkühler (15) verläuft.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens einer Kurbelwelle und mit wenigstens einer das wenigstens eine Auslassventil ansteuernden Auslassnockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Abgasrückführung durch ein Verdrehen der Auslassnockenwelle (16) gegenüber der Kurbelwelle in Richtung eines früheren Öffnens und Schließens des wenigstens einen Auslassventils (6) durchführbar ist.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, mit wenigstens einer das wenigstens eine Einlassventil ansteuernden Einlassnockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassnockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Richtung eines späteren Öffnens des wenigstens einen Einlassventils (4) verdrehbar ist.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens einer das wenigstens eine Auslassventil ansteuernden Auslassnockenwelle, welche mehrere Nocken aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem der Nocken (17a, 17b) wenigstens ein zusätzlicher Nocken (19a, 19b) angebracht ist, wobei die innere Abgasrückführung durch ein Umschalten auf den zusätzlichen Nocken (19a, 19b) und ein damit verbundenes früheres Öffnen des wenigstens einen Auslassventils (6) durchführbar ist.
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