DE19906463C1 - Aufgeladener Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung - Google Patents

Abstract

Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführung in eine Ladeluftleitung (7), aus der die Zylinder (2) des Motors (1) mit verdichteter Ladeluft gespeist werden, ist der Abgasdruck in der Auslaßleitung (19) des Motors (1) durchschnittlich niedriger als der Ladedruck. Die Rückführungsverbindung wird daher bei zeitweisem Vorliegen abgastreibenden Druckgefälles einer Ventilanordnung freigegeben. DOLLAR A Um die Einstellung betriebspunktoptimaler Abgasrückführungsraten, insbesondere größerer Abgasrückführungsraten bei hohem Wirkungsgrad des Motors, zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß als Steuerventil (4) für die Abgasrückführung einem oder mehreren Zylindern (2) ein zusätzliches Auslaßventil (4) zugeordnet, welches unabhängig von den Gaswechselventilen (10, 11) des Zylinders (2) ansteuerbar ist und einen mit der Ladeluftleitung (7) in Verbindung stehenden Abgaskanal (5) während des Auslaßtaktes des Zylinders (2) bedarfsweise öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung in eine Ladeluftleitung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen aufgeladenen Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Die Abgasrückführung ist ein bewährtes Mittel zur Verminderung der Schadstoffemissionen eines Verbrennungsmotors, wobei verbrannte Abgase der Zylinder der Verbrennungsluft zugemischt werden. Die Abgasrückführungsrate, das heißt der Anteil der zugemischten Abgase, kann dabei bis etwa 10% betragen. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren erfolgt meist die Abgasrückführung in die Ladeluftleitung, aus der die Zylinder des Motors mit verdichteter Ladeluft gespeist werden. Die rückgeführten Abgase werden also in Durchströmungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler beigemischt und so Abgaskondensat und andere die Lebensdauer des Verdichters beeinträchtigende Schmutzpartikel vom luftdurchströmten Ladeluftkühler ferngehalten.

Der Ladedruck ist bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren hö­ her als das mittlere Druckniveau im Abgasstrang und der Druckunterschied steht einer selbsttätigen, vom Druckgefäl­ le getriebenen Abgasrückführung entgegen. Um dennoch eine Abgasrückführung entgegen dem durchschnittlich zum Abgas­ strang treibenden Druckgefälle zu realisieren, sind bisher verschiedene Wege beschritten worden. Aus der DE 423 57 794 C1 ist eine Abgasrückführung bekannt, bei der eine Durchfluß­ reguliereinrichtung in der Rückführungsverbindung aus einer Parallelschaltung einer Drosseleinrichtung und eines Ejek­ tors besteht, welcher aus einem Einströmstutzen, einem Aus­ strömstutzen und einem Saugstutzen gebildet ist. Der Ejek­ tor nutzt dabei den dynamischen Druck in der Ladeluftströ­ mung, um im Bereich des Ejektors das rückgeführte Abgas beizumischen, da hier der Ladedruck lokal abgesenkt ist. Die Wirkung der bekannten Anordnung ist dabei abhängig von den Geschwindigkeiten und Drücken, wobei die rückzuführende Abgasmenge auch unter Einsatz zusätzlicher Regelorgane nicht präzise zumeßbar ist.

Aus der DE 195 21 573 A1 ist eine Abgasrückführung in einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt, welche die Abgas­ rückführung bei durchschnittlich niedrigerem Abgasgegen­ druck als dem Ladedruck ermöglicht. Hierfür ist ein Rück­ schlagventil vorgesehen, welches vom Abgasrohr des Verbren­ nungsmotors abzweigt und über eine Abgasrückführungsleitung mit der Ladeluftleitung verbunden ist. Das Rückschlagventil wird durch den Abgasdruck gegen eine rückstellende Kraft geöffnet, so daß die Abgasrückführungsleitung nur zur Durchströmung freigegeben wird, wenn der Abgasdruck zeit­ weise größer ist als der Ladedruck. Die bekannte Abgasrück­ führung nutzt dabei den Umstand, daß bei dem Öffnen der Auslaßventile im Abgasrohr vor der Turbine des Abgasturbo­ laders Druckspitzen im Abgasrohr auftreten, welche den La­ dedruck kurzzeitig überschreiten. Trotz durchschnittlich der Abgasrückführung entgegenstehenden Druckverhältnissen mit höherem Ladedruck als dem durchschnittlichen Ladedruck kann durch die zeitweise Öffnung des Rückschlagventils bei abgastreibenden Druckverhältnissen eine geringe Abgasmenge rückgeführt werden.

Das zur Abgasrückführung zur Verfügung stehende Zeitinter­ vall während des Arbeitsspiels, wenn Abgasdruckspitzen vor­ liegen, ist jedoch zum einen sehr kurz und zum anderen kann auch dieses Zeitintervall aufgrund träger Reaktionen des Rückschlagventils auf die geänderten Druckverhältnisse nur bedingt genutzt werden. Eine Einstellung der Abgasrückfüh­ rungsrate ist nicht möglich und hohe Abgasrückführungsra­ ten, welche in weiten Kennfeldbereichen des Motors im Hin­ blick auf die Schadstoffemissionen vorteilhaft sind, sind prinzipbedingt ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung weiterzubilden und ein Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Motors zu schaffen, daß betriebspunktoptimale Abgasrückführungsra­ ten bei hohem Wirkungsgrad des Motors einstellbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 8 ge­ löst.

Als Steuerventil für die Abgasrückführung wird einem oder mehreren Zylindern ein zusätzliches Auslaßventil zugeord­ net, welches unabhängig von den Gaswechselventilen bei zeitweisem Vorliegen abgastreibenden Druckgefälles einen Abgaskanal öffnet, welcher mit der Ladeluftleitung in Ver­ bindung steht und Teil der Rückführungsverbindung ist. Die in die Ladeluftleitung rückgeführten Abgase werden also di­ rekt dem Brennraum entnommen. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß das Abgas vor dem Verlassen des Brennraums einen erheblich höheren statischen Druck auf­ weist als in den übrigen Abschnitten des Abgastraktes, wo­ durch längere Zeiträume mit abgastreibendem Gefälle in der Rückführungsverbindung vorliegen.

Bei der Abgasrückführung wird das Steuerventil im Zylinder­ kopf während des Auslaßtaktes des jeweiligen Zylinders ge­ öffnet, wobei über den Öffnungszeitpunkt und die Öffnungs­ dauer des Steuerventils die Abgasrückführungsrate einstell­ bar ist. Zweckmäßig ist das Steuerventil als schnellschal­ tendes Stößelventil im Zylinderkopf des jeweiligen Zylin­ ders ausgebildet, dessen Ventilglied mit einem Ventilsitz in der Mündung des Abgaskanals zusammenwirkt. Besonders große Abgasrückführungsraten sind erreichbar, wenn für meh­ rere Zylinder oder sämtliche Zylinder jeweils Steuerventile vorgesehen sind. Die Abgasrückführung mit Steuerventilen in den Zylinderköpfen der Zylinder ist in kompakter Bauweise des Verbrennungsmotors möglich, wenn die Abgasrückführungs­ kanäle der einzelnen Zylinder in eine gemeinsame Abgasrück­ führungsleitung zur Ladeluftleitung münden.

Die Steuerventile sind über eine Steuerleitung mit einer Steuereinheit verbunden, deren Eingangsseite mindestens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors über eine Signal­ leitung zuführbar ist. Die Steuereinheit bestimmt die Öff­ nungszeitpunkte und die jeweilige Öffnungsdauer in Abhän­ gigkeit von der Last und der Drehzahl des Motors und stellt so die für den jeweiligen Betriebspunkt optimale Abgasrück­ führungsrate ein.

Das erfindungsgemäße Steuerventil kann auch besonders vor­ teilhaft im Bremsbetrieb des Motors als Dekompressionsven­ til eingesetzt werden und wird zumindest während des Ver­ dichtungstaktes des jeweiligen Zylinders geöffnet. Das Steuerventil übernimmt somit neben der Abgasrückführung auch die Unterstützung der Motorbremswirkung nach Art der an sich als Konstantdrossel bekannten Motorbremse, wobei gezielt Dekompression während des zweiten und dritten Ar­ beitstaktes des Zylinders einen Teil der Kompressionsarbeit freisetzt. Die Abgasrückführung gemäß der vorliegenden Er­ findung kann daher mit geringem Aufwand bei Motoren wie An­ triebsmotoren für Nutzfahrzeuge vorgesehen werden, welche ein zusätzliches Dekompressionsventil im Zylinderkopf als Motorbremse bereits aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines aufgeladenen Verbrennungsmotors und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verbrennungsmo­ tors mit Abgasrückführung.

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor, in dessen Zylindern 2 jeweils ein Kolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und ei­ nen Brennraum 26 begrenzt. Der Brennraum 26 ist in üblicher Weise durch einen Zylinderkopf 8 eingeschlossen, welcher auf dem Zylinder 2 befestigt ist. Im Zylinderkopf sind Ein­ laßkanäle 10 und Auslaßkanäle 13 ausgebildet, wobei der La­ dungswechsel von Gaswechselventilen 12, 13 gesteuert wird. Ein Einlaßventil gibt dabei in an sich bekannter Weise wäh­ rend des Einlaßtaktes den Einlaßkanal 12 frei, während das Auslaßventil 13 während des Auslaßtaktes des jeweiligen Zy­ linders 2 den zugeordneten Auslaßkanal 13 öffnet.

Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Lader auf, dessen Ver­ dichter 18 durch einen Frischlufteinlaß 21 Verbrennungsluft ansaugt und als verdichtete Ladeluft in eine Ladeluftlei­ tung 7 fördert, welche mit dem Einlaßkanal 12 im Zylinder­ kopf 8 in Verbindung steht. Der Lader ist im Ausführungs­ beispiel als Abgasturbolader ausgebildet, wobei der Ver­ dichter 18 über eine Laderwelle 20 von einer Turbine 17 ro­ tierend angetrieben wird, welche vom Abgasstrom des Ver­ brennungsmotors beaufschlagt wird. Die Turbine 17 ist in einer Auslaßleitung 19 angeordnet, in die die Auslaßkanäle 13 aller Zylinder münden, so daß der gesammelte Abgasstrom aller Zylinder vor dem Abgang durch einen Auspuff 22 durch die Turbine 17 geleitet wird.

Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Abgasrückführungsleitung 6 auf, welche in Durchströmungsrichtung hinter dem Verdich­ ter 18 in die Ladeluftleitung 7 mündet, so daß ein Teilvo­ lumen der Verbrennungsabgase der Ladeluft beigemischt wer­ den kann. Die Abgasrückführungsleitung 6 ist an einen Ab­ gaskanal 5 angeschlossen, welcher bei einem oder mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors zusätzlich zum Auslaßkanal 13 im Zylinderkopf 8 ausgebildet ist und mit dem Brennraum 26 in Verbindung steht. Der Zugang zum Brennraum 26 wird von einem Steuerventil für die Abgasrückführung beherrscht. Das Steuerventil 4 ist ähnlich den Gaswechselventilen 10, 11 als Stößelventil ausgebildet, wobei ein Verschlußglied 14 des Steuerventils 4 von einem Ventilsitz 15 in der Mün­ dung des Abgaskanals 5 abhebbar ist.

Zur Durchführung der Abgasrückführung in die Ladeluftlei­ tung 7 wird das Steuerventil 14 während des Auslaßtaktes, das heißt gemeinsam mit dem Auslaßventil 13 geöffnet, wobei der Kolben 3 die Abgase aus dem Brennraum 26 sowohl in den Auslaßkanal als auch in den Abgaskanal 5 für die Abgasrück­ führung ausschiebt. Während des Auslaßtaktes des Zylinders 2 übersteigt der Abgasdruck im Brennraum den Ladedruck, so daß der Druckunterschied das Abgas durch die Abgasrückfüh­ rungsleitung 6 in die Ladeluftleitung 7 treibt. In der Ab­ gasrückführungsleitung 6 ist ein Abgaskühler 9 angeordnet, so daß die rückgeführten, heißen Abgase mit geringerer Tem­ peratur dem Ladeluftstrom beigemischt werden, um eine die Schadstoffbildung begünstigende Aufwärmung der Ladeluft zu vermeiden. Das Steuerventil 4 ist bezüglich der Öffnungs­ dauer und des Öffnungszeitpunktes einstellbar, wodurch die Menge des zur Rückführung bestimmten Abgasteilstromes durch den zusätzlichen Abgaskanal 5 des jeweiligen Zylinders und somit letztlich die Abgasrückführungsrate einstellbar ist.

Das Steuerventil 4 wird zweckmäßig im Zylinderkopf des je­ weiligen Zylinders benachbart eines Auslaßventils 11 ange­ ordnet.

Fig. 2 zeigt einen 4-Ventilmotor, welcher pro Zylinder 2a, 2b, 2c zwei Einlaßventile 10, 10' und zwei Auslaßventile 11, 11' umfaßt. Das Steuerventil 4 ist dabei in der für die Auslaßventile vorgesehenen Brennraumhälfte angeordnet. Wäh­ rend des Arbeitsspiels wird aufgrund der Nähe des Steuer­ ventils 4 zu den Auslaßventilen die gleiche Ladungsbewegung während des Arbeitsspiels erreicht wie bei herkömmlichen Motoren.

Jedes Steuerventil 4 ist über eine Steuerleitung 25 mit ei­ ner Steuereinheit 23 verbunden, deren Eingangsseite Meßwer­ te der vorliegenden Drehzahl n des Verbrennungsmotors und dessen Betriebslast L zugeführt werden. In Abhängigkeit des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors, das heißt in Ab­ hängigkeit der Eingangsgrößen bestimmt die Steuereinheit 23 die Abgasrückführungsrate und stellt den jeweils zugeordne­ ten Zeitquerschnitt der Steuerventile 4 mit der jeweils vorgesehenen Öffnungsdauer und den Öffnungszeitpunkt ein.

Über die Funktion als Stellglied zur Steuerung der Abgas­ rückführung hinaus kann das Steuerventil 4 auch im Bremsbe­ trieb des Verbrennungsmotors als Dekompressionsventil ein­ gesetzt werden. Dabei wird das Steuerventil nach Art der als Konstantdrossel bekannten Motorbremse während des Ver­ dichtungstaktes des jeweiligen Zylinders geöffnet und so mit gezielter Dekompression und teilweiser Freisetzung der Kompressionsarbeit der Drehbewegung des Motors entgegenge­ wirkt. In der Funktion als Konstantdrossel im Motorbremsbe­ trieb kann das Steuerventil auch dauerhaft geöffnet werden, um so in bestimmten Kennfeldbereichen des Verbrennungsmo­ tors eine optimale Bremsleistung zu erreichen. Die Steuer­ einheit 23 ist mit einer Einrichtung 24 zur Anforderung von Motorbremsleistung signalübertragend verbunden. Die Anfor­ derungseinrichtung 24 umfaßt einen Stellsignalgeber, bei­ spielsweise das betätigbare Bremspedal eines von dem Ver­ brennungsmotor angetriebenen Fahrzeuges. Sobald das Brems­ pedal betätigt wird, wird der Steuereinheit 23 das Vorlie­ gen des Motorbremsbetriebes von der Anforderungseinrichtung 24 durch ein entsprechendes Signal angezeigt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasrückfüh­ rung wird darin gesehen, daß bei aufgeladenen Verbrennungs­ motoren, welche eine Konstantdrossel-Motorbremse mit einem Dekompressionsventil umfassen, zur Durchführung der Abgas­ rückführung in die Ladeluftleitung kein weiteres Ventil für die Abgasrückführung vorgesehen werden braucht. Im Ver­ gleich zu bekannten aufgeladenen Verbrennungsmotoren, bei denen das Konstantdrossel-Ventil einen separaten Zugang zum Auslaßkanal steuert, mündet dieser zusätzliche Abgaskanal nunmehr zum Zwecke der Abgasrückführung in die Ladeluftlei­ tung.

Die erfindungsgemäße Abgasrückführung ist mit einem Minimum an zusätzlich zum Zwecke der Abgasrückführung aufzuwenden­ der Energie durchführbar. Der bisher übliche Eingriff in das Druckgefälle des aufgeladenen Verbrennungsmotors, bei­ spielsweise durch Anhebung des durchschnittlich niedrigeren Abgasdruckes über das Ladedruckniveau, ist nunmehr hinfäl­ lig geworden, da der hohe Abgasdruck im Brennraum mittels der in den Zylinderkopf integrierten Abgasrückführungsver­ bindung genutzt wird. Es wird daher ein höherer Wirkungs­ grad des aufgeladenen Verbrennungsmotors im Abgasrückfüh­ rungsbetrieb erreicht.

Claims (12)

1. Aufgeladener Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung in eine Ladeluftleitung (7), aus der die Zylinder (2a, 2b, 2c) des Motors (1) mit verdichteter Ladeluft ge­ speist werden, wobei die Rückführungsverbindung (5, 6) bei zeitweisem Vorliegen abgastreibenden Druckgefälles von einer Ventilanordnung (4) freigebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerventil (4) für die Abgasrückführung einem oder mehreren Zylindern ein zusätzliches Auslaßventil zugeordnet ist, welches un­ abhängig von den Gaswechselventilen (10, 11) des Zy­ linders (2a, 2b, 2c) ansteuerbar ist und einen mit der Ladeluftleitung (7) in Verbindung stehenden Abgaskanal (5) bedarfsweise öffnet.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (4) als schnellschaltendes Stößelventil ausgebildet ist, des­ sen Ventilglied (14) mit einem Ventilsitz (15) in der Mündung des Abgaskanals (5) im Zylinderkopf (8) des jeweiligen Zylinders (2a, 2b, 2c) zusammenwirkt.

3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder (2a, 2b, 2c) ein Steuerventil (4) vorgesehen ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskanäle (5) der Zylinder (2a, 2b, 2c) in eine gemeinsame Abgasrückfüh­ rungsleitung (6) zur Ladeluftleitung (7) münden.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (4) be­ züglich der Öffnungsdauer und des Öffnungszeitpunktes variabel einstellbar sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Steuerventil (4) über eine Steuerleitung (25) mit einer Steuereinheit (23) verbunden ist, deren Eingangsseite mindestens ein Betriebsparameter (n, L) des Verbrennungsmotors (1) zuführbar ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite der Steuereinheit (23) mit einer Einrichtung (24) zur An­ forderung von Motorbremsleistung signalübertragend verbunden ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Verbrennungs­ motors mit Abgasrückführung in die Ladeluftleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgasrückführung ein zusätzlich zu den Gaswechselventilen (10, 11) eines Zylinders (2a, 2b, 2c) im Zylinderkopf angeordnetes Steuerventil (4) einen Abgaskanal (5) während des Aus­ laßtaktes des jeweiligen Zylinders öffnet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (23) den Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer des Steu­ erventils (4) entsprechend der vorgesehenen Abgasrück­ führungsrate einstellt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer des Steuerventils (4) in Abhängig­ keit von der Drehzahl (n) des Motors (1) und/oder der Betriebslast (L) bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (4) im Motorbremsbetrieb als Dekompressionsventil eingesetzt und zumindest während des Verdichtungstaktes des je­ weiligen Zylinders (2a, 2b, 2c) geöffnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (4) im Motorbremsbetrieb als Konstantdrossel-Motorbremse dau­ erhaft geöffnet wird.