DE10231107A1

DE10231107A1 - Lader für Sekundärlufteinblasung

Info

Publication number: DE10231107A1
Application number: DE2002131107
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. Holder; Christoph Dipl.-Ing. Koehlen; Peter Dipl.-Ing. Lautenschütz; Christoph Dipl.-Ing. Lux
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit Vorrichtungen zum Einblasen von Sekundärluft 5.1. Das Einblasen erfolgt bei der Verbrennungskraftmaschine 1 mit Abgasturbolader 2 mit dem über die Abgasturbine 2.3 angetriebenen Verdichter 2.2. Der Verdichter 2.2 im Lufteinlasskanal 10 steht zum Einblasen von Sekundärluft 5.1 mit seiner Druckseite über einen Sekundärkanal 5 mit dem Abgaskanal 7 in Verbindung. Der Verdichter 2.2 bzw. der Abgasturbolader 2 ist hierzu sekundär mittels eines Elektromotors 3 angetrieben. Der primäre Antrieb erfolgt durch den Abgasstrom über die Abgasturbine 2.3. Mittels des Elektromotors 3 ist jede beliebige Drehzahl unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 einstellbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungskraftmaschinen mit Vorrichtungen zum Einblasen von Sekundärluft. Das Einblasen erfolgt bei Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader mit dem über die Abgasturbine angetriebenen Verdichter. Der Verdichter im Lufteinlasskanal steht zum Einblasen von Sekundärluft mit seiner Druckseite über einen Sekundärkanal mit dem Abgaskanal in Verbindung.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Einblasen von Sekundärluft aus der US 4,534,173 bekannt. Danach wird bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader die Abgasseite mittels einer Leitung für Sekundärluft mit der Zuluftseite verbunden. Auf der Zuluftseite ist die Leitung für Sekundärluft zwischen dem Verdichter des Abgasturboladers und einer Drossel an den Lufteinlass angeschlossen. In die Leitung für Sekundärluft ist ein Kontrollventil eingebracht, das mittels einer Art Membran oder Zunge bei abgasseitigem Überdruck schließt. Um das Einblasen von Sekundärluft zu gewährleisten, muss das Druckverhältnis von Zuluftseite zu Abgasseite in der Leitung für Sekundärluft positiv sein. Hierzu wird die Sekundärluft derart stromabwärts nach den Auslassventilen in den Abgasstrom eingebracht, dass durch das mit hoher Geschwindigkeit ausströmende Abgas ein Strahlpumpeneffekt und somit ein günstiger relativer Unterdruck auf der Abgasseite der Leitung für Sekundärluft erzeugt wird.

Beim Start einer Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbolader ist es abgesehen von den zu überwindenden Druckunterschieden zwischen Zuluft- und Abgasseite schwierig, die Sekundärluft vom Luftmassenstrom abzuzweigen, da in den beim Start einer Verbrennungskraftmaschine gefahrenen Kennpunkten das Gebläse oder der Verdichter nur einen unzureichenden Luftmassenstrom fördern kann. Neben den niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine beim Start tritt hinsichtlich der erforderlichen Menge an Sekundärluft in der dem Start folgenden Warmlaufphase der nachteilige Effekt hinzu, dass der Katalysator noch keine optimale Betriebstemperatur erreicht hat. Während der Warmlaufphase ist deshalb eine größere Menge an Sekundärluft notwendig, um eine optimale Abgasnorm zu erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Einblasen von Sekundärluft derart auszubilden und anzuordnen, dass beim Start und Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine der zur Verfügung stehende Luftmassenstrom maximiert wird, damit ausreichend Sekundärluft zum Einblasen in den Abgasstrom zur Verfügung steht.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Verdichter eines Abgasturboladers im Lufteinlasskanal der Verbrennungskraftmaschine zum Einblasen von Sekundärluft über einen Sekundärkanal vorgesehen ist. Der Sekundärkanal verbindet den Lufteinlasskanal mit dem Abgaskanal. Der Verdichter bzw. der Abgasturbolader ist hierzu sekundär mittels eines Elektromotors angetrieben. Der primäre Antrieb erfolgt durch den Abgasstrom über die Abgasturbine. Mittels des Elektromotors ist jede beliebige Drehzahl unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine einstellbar.

Eine weitere Möglichkeit für Verbrennungskraftmaschinen ohne Abgasturbolader besteht in der Anordnung eines Gebläses im Lufteinlasskanal, das ebenso wie der Abgasturbolader mittels eines Elektromotors angetrieben wird.

Hierdurch wird erreicht, dass der Sekundärluftmassenstrom über einen Sekundärkanal an den Einblasstellen eingebracht und beliebig, unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden kann. Aufgrund der räumlichen Nähe des Abgasturboladers oder Gebläses zur Einblasstelle der Sekundärluft am Abgaskrümmer werden Drosselverluste vermieden.

Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturboladern erzeugt beim erfindungsgemäßen Sekundärantrieb des Abgasturboladers die Abgasturbine ein zum Einblasen günstiges Druckverhältnis im Abgaskanal zwischen Abgasturbine und Einblasstelle. Die Abgasturbine arbeitet in diesem Fall im Saugbetrieb.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass stromab im Lufteinlasskanal der Verbrennungskraftmaschine der Verdichter vor der Drosselklappe angeordnet ist und der Sekundärkanal zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe vom Lufteinlasskanal abzweigt. Der Verdichter des Abgasturboladers oder des Gebläses fördert somit den gesamten Luftmassenstrom je nach momentanem Bedarf an Verbrennungsluft und Sekundärluft. Der über den Lufteinlasskanal den Zylindern zugeführte Luftmassenstrom wird über die Drosselklappe geregelt.

Der Sekundärkanal verläuft entlang der Zylinder und verzweigt stromab an den Auslass eines jeden Zylinders. Der Sekundärluftmassenstrom wird über ein regelbares Ventil innerhalb des Sekundärkanals geregelt.

Ferner ist es vorteilhaft, dass in den Sekundärkanal neben dem regelbaren Ventil stromab folgend vor dem ersten Zylinder mindestens ein Rückschlagventil eingebracht ist. Das Rück schlagventil schließt bei abgasseitigem Überdruck und verhindert eine unkontrollierte Abgasrückführung.

Vorgesehen ist hierzu auch, dass für jeden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine stromab nach den Auslassventilen in den Abgaskanal eine Einblasstelle für Sekundärluft eingebracht ist. Der Sekundärkanal mündet in Strömungsrichtung des Abgases nach dem jeweiligen Auslassventil in den durch die Abgaskrümmer gebildeten Abgaskanal. Alternativ ist eine gemeinsame Einblasstelle im Abgaskanal stromab nach dem letzten Zylinder vorgesehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass der Sekundärkanal und die Einblasstellen durch das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine gebildet sind. Die Montage der Verbrennungskraftmaschine ist dadurch wesentlich vereinfacht. Eine ähnliche Vereinfachung ergibt sich, wenn ein Teil der Gehäusewand der Verbrennungskraftmaschine als Sekundärkanal gebildet ist.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die Verbindung zwischen Lufteinlasskanal und Sekundärkanal als regelbares Dreiwegeventil ausgebildet ist. Das Dreiwegeventil ersetzt das regelbare Ventil im Sekundärkanal und die Drosselklappe im Lufteinlasskanal.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass der Verdichter bzw. das Verdichterrad des Abgasturboladers oder des Gebläses unterschiedlich ausgebildet ist. Der Verdichter kann als reiner Radialverdichter oder als reiner Axialverdichter ausgebildet sein. Ebenso können kombinierte Radial- und Axialverdichter zum Einsatz kommen. Je nach Ausbildung des Verdichters weist dieser Drossel- und/oder Leitvorrichtungen im Ein- und Auslassbereich des Verdichtergehäuses auf. Durch Verstellen der Drossel- und Leitvorrichtungen wird die Regelung der Sekundärlufteinblasung beeinflusst.

Vorteilhaft ist es ferner, dass das Drehmoment des Elektromotors über eine regelbare Kupplung auf die ATL-Welle des Abgasturboladers übertragen wird. Je nach Bedarf ist der Elektromotor zu- oder abschaltbar.

Beim Einsatz eines Gebläses ist es entsprechend vorteilhaft, dass das Drehmoment des Elektromotors über eine regelbare Kupplung auf eine Antriebswelle des Gebläses übertragen wird. Auch hier ist je nach Bedarf der Elektromotor zu- oder abschaltbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zum Einblasen von Sekundärluft durch einen Abgasturbolader;
2 eine Vorrichtung zum Einblasen von Sekundärluft durch ein Gebläse.
In 1 ist schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Verdichter 2.2 eines Abgasturboladers 2 zum Einblasen von Sekundärluft 5.1 dargestellt.
In einem Lufteinlasskanal 10 wird Frischluft 10.1 geführt. Nach einem Luftfilter 10.3 wird die Frischluft 10.1 im Verdichter 2.2 verdichtet und sowohl in einen Sekundärkanal 5 als auch in den Lufteinlasskanal 10 geleitet.
Der Sekundärkanal 5 zweigt zwischen dem Verdichter 2.2 und einer Drosselklappe 10.2 vom Lufteinlasskanal 10 ab. In den Sekundärkanal 5 ist ein regelbares Ventil 4 und stromab folgend ein Rückschlagventil 6 vorgesehen. Der Sekundärkanal 5 erstreckt sich von der Verzweigung nach dem Verdichter 2.2 bis zu jeder Einblasstelle 8 an jedem Zylinder 11 der Verbrennungskraftmaschine 1.
Die Einblasstelle 8 ist in Strömungsrichtung von Abgas 7.1 direkt hinter dem nicht dargestellten Auslassventil vorgesehen. Nach dem Einblasen wird das Abgas 7.1 und die für die Nachoxidation verbrauchte Sekundärluft 5.1 über einen Abgaskanal 7 zu einer Abgasturbine 2.3 geführt und entspannt. Danach wird das gesamte Abgas 7.1 über den Abgaskanal 7 und einen Katalysator 7.2 in die Atmosphäre geleitet.
Die für die Verbrennung benötigte Frischluft 10.1 wird durch die Drosselklappe 10.2 geregelt und über den Lufteinlasskanal 10 zum jeweiligen Zylinder 11 geführt.
Der Verdichter 2.2 ist über eine ATL-Welle 2.1 mit der Abgasturbine 2.3 des Abgasturboladers 2 verbunden. Die ATL-Welle 2.1 wird primär von der Abgasturbine 2.3 durch das ausströmende Abgas 7.1 angetrieben. Der Sekundärantrieb erfolgt durch einen Elektromotor 3, der über eine nicht dargestellte Kupplung mit der ATL-Welle 2.1 verbunden ist. Der Elektromotor 3 ist unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 regelbar. Dadurch kann in jedem beliebigen Kennpunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 der optimale Luftmassenstrom für Sekundärluft 5.1 und Frischluft 10.1 eingestellt werden.
In 2 ist der Abgasturbolader 2 nach 1 durch ein reines Gebläse 20 ersetzt. Das Abgas 7.1 strömt unentspannt durch den Abgaskanal 7 über den Katalysator 7.2 in die Atmosphäre.
Ein Verdichter 20.2 des Gebläses 20 wird nur vom Elektromotor 3 angetrieben. Die Regelung der Frischluft 10.1 und das Einblasen der Sekundärluft 5.1 erfolgt entsprechend wie vorstehend in 1 beschrieben.
Sowohl der Bedarf an Frischluft als auch der Bedarf an Sekundärluft 5.1 wird bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine 1 durch den Elektromotor 3 als Zusatzantrieb geregelt.
Die in 1 und 2 identischen Bauteile tragen identische Bezugsziffern.

Claims

Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2) mit einem über eine Abgasturbine (2.3) primär angetriebenen Verdichter (2.2), wobei die Druckseite des Verdichters (2.2) zum Einblasen von Sekundärluft (5.1) über einen Sekundärkanal (5) mit einem Abgaskanal (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2.2) zum Einblasen von Sekundärluft (5.1) zusätzlich mittels eines Elektromotors (3) antreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Sekundärkanal (5) zum Einblasen von Sekundärluft (5.1), wobei ein Lufteinlasskanal (10) durch den Sekundärkanal (5) mit einem Abgaskanal (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einblasen von Sekundärluft (5.1) ein Gebläse (20) in den Lufteinlasskanal (10) eingebracht ist, das mittels des Elektromotors (3) antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab im Lufteinlasskanal (10) der Verdichter (2.2, 20.2) vor einer Drosselklappe (10.2) angeordnet ist und der Sekundärkanal (5) zwischen dem Verdichter (2.2, 20.2) und der Drosselklappe (10.2) vom Lufteinlasskanal (10) abzweigt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sekundärkanal (5) mindestens ein regelbares Ventil (4) und stromab folgend mindestens ein Rückschlagventil (6) eingebracht ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (7) mindestens eine oder für jeden Zylinder (11) der Verbrennungskraftmaschine (1) stromab nach den Auslassventilen eine Einblasstelle (8) für Sekundärluft (5.1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkanal (5) und/oder die Einblasstellen (8) durch ein Gehäuse (9) der Verbrennungskraftmaschine (1) gebildet oder Teil der Gehäusewand sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Lufteinlasskanal (10) und Sekundärkanal (5) als regelbares Dreiwegeventil ausgebildet ist, wobei das Dreiwegeventil zumindest teilweise Eigenschaften der Drosselklappe (10.2) erfüllt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2.2, 20.2) ein Verdichterrad aufweist und als Radialverdichter, als Axialverdichter oder als kombinierter Radial- und Axialverdichter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Elektromotors (3) über eine regelbare Kupplung auf eine ATL-Welle (2.1) des Abgasturboladers (2) übertragbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Elektromotors (3) über eine regelbare Kupplung auf eine Antriebswelle (20.1) des Gebläses (20) übertragbar ist.