DE10327305A1

DE10327305A1 - Brennkraftmaschine mit Sekundärluftbrause

Info

Publication number: DE10327305A1
Application number: DE10327305A
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: WO2004111403A1

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 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 sie nicht im Zusammenwirken mit einem aufwändigen Speicherkatalysator eingesetzt wird.

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 Sekundärluftleitelement zur Bildung eines wenigstens teilweise parallel zum Auslasskanal verlaufenden Sekundärluftkanals. Durch den somit gebildeten Sekundärluftkanal ist zusätzliche Frischluft oder ggf. auch rückgeführtes Abgas in den Auslasskanal einbringbar und mit dem Abgas vermischbar, wobei mittels der Sekundärluft das heiße Abgas einerseits gekühlt und andererseits weiter chemisch umgesetzt werden kann. Ferner können auch im Zylinderkopf angeordnete Bauteile mit der Sekundärluft effektiv gekühlt werden. Insbesondere ist der Sekundärluftkanal vorgesehen, um Sekundärluft möglichst nahe an ein entsprechendes Auslassventil bzw. dessen Ventilsitz heranzuführen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärluftleitelement als separates, vorzugsweise perforiertes Einsatzelement ausgestaltet und in den Auslasskanal derart eingebracht, dass hinter dem Einsatzelement der Sekundärluftkanal gebildet ist. Das Einsatzelement trennt somit das in Richtung Abgastrakt (nach aussen) strömende Abgas von der Richtung Ventilsitz (nach innen) strömenden Frischluft. Dem Sekundärluftkanal ist Luft beispielsweise über eine Bohrung im Zylinderkopf zuführbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärluftleitelement als Perforation eine Vielzahl von insbesondere runden und/oder ovalen Öffnungen aufweist, durch die breitgefächert Sekundärluft zum Abgas zumischbar ist. Dadurch ist eine Art Sekundärluftbrause mit guten Durchmischungseigenschaften ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärluftleitelement 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 Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren 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 Abgasströmung einsaugbar ist.

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 mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sekundärluftleitelementes und
2 eine schematische Darstellung entsprechend 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sekundärluftleitelementes.
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. Die Brennkraftmaschine kann nach dem Diesel- oder auch nach dem Otto-Verfahren betrieben werden. 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. Der Auslasskanal 3 ist dabei von einer Wandung 1b seitens des Zylinderkopfes 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 1 ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 1a dargestellt, der in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslasskanals 3 verläuft. Darin ist schematisch eine erste Ausführungsform eines Sekundärluftleitelementes 6 dargestellt.
Das Sekundärluftleitelement 6 ist in Form eines Einsatzelements in den Auslasskanal 3 eingesetzt. Das Sekundärluftleitelement 6 ist als formstabile, an die Kontur des Auslasskanals 3 angepasste Hülse gestaltet, die vorzugsweise über einen Teil ihrer Oberfläche verteilte Perforationen 6a, 6b aufweist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Sekundärluftleitelement 6 nicht als separates Bauteil, sondern einstöckig mit dem Zylinderkopf 1 ausgeführt. 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 und dem über eine Bohrung 4 im Zylinderkopf 1a Sekundärluft zuführbar ist. Der Zwischenraum 7 dient somit als parallel zum Abgasauslasskanal 3, 10 verlaufender Sekundärluftkanal.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird dem Sekundärluftkanal 7 mittels einer Pumpe oder einer ähnlichen Fördereinrichtung über die Bohrung 4 in Intervallen oder kontinuierlich Gas (Sekundärluft) beispielsweise in Form von Frischluft, rückgeführtem Abgas oder einer Mischung daraus zugeführt. Diese Sekundärluft tritt, wie durch die Pfeile 5 angedeutet, an verschiedenen, konstruktiv festlegbaren Stellen durch die Perforationen 6a, 6b aus dem Sekundärluftkanal 7 aus. Sie wird dann dem den Brennraum 2 verlassenden Abgasstrom beigemischt.
Die Perforationen 6a, 6b sind je nach Bedarf zu dimensionieren und können beliebige Anzahl und Öffnungsquerschnitte aufweisen. Vorzugsweise sind die Perforationen 6a, 6b als eine Mehrzahl runder oder ovaler Öffnungen 6a in dem Einsatzelement 6 gestaltet. Zusätzlich oder alternativ kann eine Öffnung 6b an einer dem Brennraum 2 zugewandten Stirnseite des Sekundärluftleitelementes 6 vorgesehen sein. Eine derartige Öffnung ist besonders einfach gebildet durch einen Spalt zwischen Sekundärluftleitelement 6 und der Wandung 1b. Ein derartiger Spalt ist vorzugsweise umlaufend ringförmig ausgeführt.
Dabei ergeben sich zwischen dem gekühlten Zylinderkopf 1a und dem Innenbereich 10 nennenswerte Temperaturdifferenzen, wobei das Sekundärluftleitelement 6 als Isolierung bzw. Schutzschild für den Sekundärluftkanal 7 sowie die dahinterliegende Wandung des Auslasskanals fungiert.
Zur Modifikation dieser Variante wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an dem Sekundärluftleitelement 6 auf der zum Innenbereich 10 hin ausgerichteten Seite Strömungsleitelemente vorzusehen. Strömungsleitelemente sind vorzugsweise zur Umlenkung der Abgasströmung um die Perforationen 6a herum vorgesehen. Sie können beispielsweise hutzenförmig ausgestaltet sein, wobei sich ein reduzierter statischer Druck im Bereich der Perforationen erreichen lässt.
Ein weiter modifiziertes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. Dabei ist das Sekundärluftleitelement 6 in einer zweiten Ausführungsform mit einer düsenförmigen Gestalt versehen. Es ist eine Engstelle 6c vorgesehen, an der die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erhöht und der statische Druck besonders wirkungsvoll abgesenkt ist. Ferner sind vorzugsweise gerade an der Engstelle 6c ringförmig mehrere Perforationen 6a in das Sekundärluftleitelement 6 eingebracht, so dass die Sekundärluft mit Hilfe eines besonders geringen Überdruckpotentials in Richtung der Pfeile 5 aus einer Zuführung 4 in den Sekundärluftkanal 7 und von dort in den Innenbereich 10 des Abgasauslasskanals gebracht werden kann. Der Sekundärluftkanal verläuft dabei wenigstens abschnittsweise parallel zum Abgasauslasskanal, der dadurch zugleich vom Sekundärluftkanal aussenseitig isoliert wird.
Die Sekundärluftströmung lässt sich auf die beschriebene Weise mit besonders einfachen Mitteln und besonders effektiv und gezielt dem Abgasstrom zumischen. 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

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 Sekundärluftleitelement zur Bildung eines wenigstens teilweise parallel zum Auslasskanal (3) verlaufenden Sekundärluftkanals (7) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärluftleitelement (6) als separates, vorzugsweise perforiertes Einsatzelement ausgestaltet und in den Auslasskanal (3) derart eingebracht ist, dass hinter dem Einsatzelement der Sekundärluftkanal (7) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärluftleitelement (6) als Perforation eine Vielzahl von insbesondere runden und/oder ovalen Öffnungen aufweist, durch die breitgefächert Sekundärluft zum Abgas zumischbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärluftleitelement (6) derart zylindrisch ausgebildet und in den Auslasskanal eingebracht ist, dass zwischen Sekundärluftleitelement (6) und Auslasskanalwand ein Sekundärluftkanal mit ringförmigem Querschnitt gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sekundärluftleitelement (6) Strömungsleitelemente (9) und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sekundärluftleitelementes (6) im Auslasskanal eine Engstelle, insbesondere eine Düse, für die Abgasströmung der Brennkraftmaschine hergestellt ist.