DE10327304A1

DE10327304A1 - Brennkraftmaschine mit Adsorptions-/Absorptionselement

Info

Publication number: DE10327304A1
Application number: DE2003127304
Authority: DE
Inventors: Hans-Karl Dipl.-Ing. Weining
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-05
Also published as: EP1489292A1

Abstract

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 ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine in dem Auslasskanal (3) ein Adsorptions- und/oder ein Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff angeordnet. Insbesondere sind im Auslasskanal ein perforiertes Einsatzelement und/oder eine Adsorptions- und/oder Absorptionslage vorgesehen. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

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.
Beim Kaltstart im Abgas einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine vorhandene Kraftstoffbestandteile (Kohlenwasserstoffe) werden üblicherweise in Adsorberkatalysatoren gespeichert, die in einem gewissen Abstand vom Abgasauslass der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Bis in einem derartigen Katalysator eine ausreichend hohe Temperatur zur Nachverbrennung der gespeicherten Kohlenwasserstoffe erreicht ist, verdampft ein nennenswerter Anteil der gespeicherten Kohlenwasserstoffe und wird unverbrannt oder teilverbrannt aus dem Abgassystem des Kraftfahrzeuges entlassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit reduzierten Kohlenwasserstoffemissionen, insbesondere möglichst geringen Kaltstartemissionen 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 Adsorptions- und/oder Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff. Ein derartiges Adsorptions- und/oder Absorptionselement nimmt flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff auf, der hauptsächlich in den ersten Sekunden des Hoch- und Warmlaufs einer Brennkraftmaschine unverbrannt oder teilverbrannt aus dem Brennraum ausgestoßen wird. Der Kraftstoff wird an dem Adsorptions- und/oder Absorptionselement angelagert bzw. eingelagert. Durch die rasche Erhitzung des Auslasskanals erfolgt eine Desorption von Kraftstoff bei Temperaturen, die eine zuverlässige Nachverbrennung des desorbierten Kraftstoffes im Abgastrakt sicherstellen. Besonders zu bevorzugen ist die vorgeschlagene Anordnung in Verbindung mit einem nachgeschalteten Oxidations- und/oder Reduktionskatalysator.
In Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Auslasskanal eine Oberfläche mit einer hohen Rauhigkeit gestaltet. Ein Oberflächenbereich mit einer stark vergrößerten Rauhigkeit, d.h. mit einer stark vergrößerten Oberfläche stellt ein besonders einfach herstellbares Adsorptions-/ Absorptionselement dar. Eine Herstellung erfolgt vorzugsweise durch Verwendung eines Sand-Gießkerns mit grober Körnung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Auslasskanal eine Zone mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere ein Spalt und/oder ein Totwassergebiet gebildet. Eine derartige Zone dient mit ihrer (vergrößerten) Oberfläche als Adsorptionselement insbesondere für Flüssigkeitströpfchen. Vorzugsweise ist in einer derartigen Zone die Abgasströmung verwirbelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in den Auslasskanal ein vorzugsweise perforiertes Einsatzelement eingebracht, hinter dem ein Zwischenraum gebildet ist. Hinter dem Einsatzelement und/oder in den Perforationen des Einsatzelementes können Totwassergebiete gebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Auslasskanal, vorzugsweise in dem Zwischenraum eine Adsorptions- und/oder Absorptionslage zur Aufnahme von Kraftstoff angeordnet ist. Die Adsorptions- und/oder Absorptionslage ist aus einem geeigneten, zur Adsorption und/oder zur Absorption von Kraftstofftröpfchen oder -molekülen dienenden Material hergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an dem Einsatzelement Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet. Derartige Elemente können Totwassergebiete oder Gebiete mit stark verwirbelter Strömung erzeugen. Mittels der Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren lässt sich der aus dem Brennlaum ausgeschobene Abgasstrom wenigstens teilweise in ein Totwassergebiet umlenken. Insbesondere im Zusammenwirken mit einer Perforation kann mittels eines Strömungsleitelementes Abgas hinter das Einsatzelement umgelenkt werden.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Auslasskanal und
2 ein Detail eines erfindungsgemäßen Einsatzelementes.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug weist einen Zylinderkopf 1a auf, der gemeinsam mit einem beweglichen Kolben zur Begrenzung eines vorzugsweise zylindrischen Brennraumes 2 in einem Motorblock der Brennkraftmaschine dient. In dem Zylinderkopf 1a sind ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas in Form von Verbrennungsluft in den Brennraum hinein sowie ein Auslasskanal 3 zur Abfuhr von Vergrennungsprodukten aus dem Brennraum heraus vorgesehen. 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 1 ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 1a dargestellt, der in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslasskanals 3 verläuft. Darin sind schematisch mehrere Ausführungsformen eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes dargestellt.
Als eine erste Variante eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist eine insbesondere adsorptiv wirkende Oberfläche 4 mit einer hohen Rauhigkeit, insbesondere mit einer mikroskopischen Oberflächenstruktur vorgesehen. Eine derartige Oberfläche lässt sich mittels eines entsprechend grobkörnigen Gießkerns beim Gießen des Zylinderkopfes 1a besonders einfach und ohne Zusatzaufwand im Vergleich zu bisherigen Fertigungsmethoden herstellen. Vorzugsweise sind die Rauhigkeit, die Lage und die Ausdehung der Oberfläche 4 an die Größe und das Anlagerungsverhalten von bei einem Kaltstartvorgang der Brennkraftmaschine aus dem Brennraum ausgestoßenen Kraftstofftröpfchen angepasst.
Als eine zweite Variante eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist ein Spalt, eine Riffelung oder eine ähnliche makroskopische Oberflächenstruktur vorgesehen, die prinzipiell wie die Oberfläche 4 mit hoher Rauhigkeit wirkt.
Als eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist ein Einsatzelement 6 in den Auslasskanal 3 eingesetzt. Das Einsatzelement 6 ist als formstabile, an die Kontur des Auslasskanals 3 angepasste Hülse gestaltet, die vorzugsweise über ihre gesamte Oberfläche verteilte Perforationen 6a aufweist. Zwischen Einsatzelement 6 und dem gegossenen Auslasskanal 3 im Zylinderkopf 1a ist ein Zwischenraum 7 gebildet, der über die Perforationen 6a in Verbindung steht mit dem Innenbereich 10 des Einsatzelements. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ergeben sich zwischen dem gekühlten Zylinderkopf 1a und dem Innenbereich 10 nennenswerte Temperaturdifferenzen, wobei das Einsatzelement 6 als Isolierung bzw. Schutzschild für den gekühlten Zwischenraum 7 fungiert. In dem Zwischenraum 7 ergeben sich somit Bereiche mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit und ggf. auch Totwassergebiete, in denen flüssiger Kraftstoff, welcher aus der Abgasströmung, die vorzugsweise über die Perforationen 6a in den Zwischenraum gelangt, abgeschieden werden und unverdampft verharren kann.
Zur Modifikation dieser Variante wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an dem Einsatzelement 6 auf der zum Innenbereich 10 hin ausgerichteten Seite Strömungsleitelemente 9 vorzusehen. Strömungsleitelemente 9 sind vorzugsweise zur Umlenkung der Abgasströmung vom Innenbereich 10 in den Zwischenraum 7 vorgesehen, daher kooperieren die Strömungsleitelemente 9 vorzugsweise mit Perforationen 6a. Sie können beispielsweise hutzenförmig ausgestaltet sein (vgl. 2). Ergänzend oder alternativ sind an einem Einsatzelement 6 auf der zum Innenbereich 10 hin ausgerichteten Seite und/oder auf der zum Zwischenraum 7 hin ausgerichteten Seite Turbulenzpromotoren bzw. Strömungsumlenkmittel mit ausgeprägtem Totwassergebiet vorgesehen.
Als eine weitere Variante eines besonders wirksamen Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist eine Einlage 8 aus einem kraftstoff-adsorbierenden bzw. -absorbierenden Material vorgesehen. In Abhängigkeit von der Art des Kraftstoffes können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Oberflächen-, Adsorptions- und Absorptionseigenschaften zur Anwendung kommen. Vorzugsweise kommen Keramiken, Zeolithe, Aktivkohle und Kunststoff- oder Metallschäume zur Anwendung. Derartige Einlagen sind vorzugsweise formstabil und/oder als Füllung für einen Zwischenraum 7 ausgebildet.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich teil- oder unverbrannt aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgestoßene Kraftstoffbestandteile direkt im bzw. am Zylinderkopf binden, rekondensieren, adsorbieren und/oder sogar absorbieren. Zwar ergeben sich unter Umständen nur kurze Speicherzeiten, jedoch können diese länger konzipiert sein als die zur Aufheizung des Auslasskanals an dieser Stelle erforderliche Zeit. Somit werden Kraftstoffemissionen – insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine im Zylinderkopf bzw. in dessen Nähe wenigstens kurzzeitig gebunden und nachfolgend bei einer Temperatur freigegeben, die zur vollständigen und raschen (Nach)Verbrennung des Kraftstoffes ausreichend ist. Somit ist eine Brennkraftmaschine mit hinsichtlich Kraftstoff- bzw. Kohlenwasserstoffemissionen nennenswert verbessertem Kaltstartverhalten bereitgestellt.

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Auslasskanal (3) ein Adsorptions- und/oder ein Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Auslasskanal (3) eine Oberfläche mit einer hohen Rauhigkeit gestaltet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auslasskanal (3) eine Zone mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere ein Spalt und/oder ein Totwassergebiet gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Auslasskanal (3) ein vorzugsweise perforiertes Einsatzelement (6) eingebracht ist, hinter dem ein Zwischenraum (7) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auslasskanal (3), vorzugsweise in dem Zwischenraum (7) eine Adsorptions- und/oder Absorptionslage (8) zur Aufnahme von Kraftstoff angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Einsatzelement (6) Strömungsleitelemente (9) und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet sind.