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DE602004004676T2 - Vorrichtung zum Erzeugen einer Drehbewegung der Luftströmung zugeführt an eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen einer Drehbewegung der Luftströmung zugeführt an eine aufgeladene Brennkraftmaschine Download PDF

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DE602004004676T2
DE602004004676T2 DE602004004676T DE602004004676T DE602004004676T2 DE 602004004676 T2 DE602004004676 T2 DE 602004004676T2 DE 602004004676 T DE602004004676 T DE 602004004676T DE 602004004676 T DE602004004676 T DE 602004004676T DE 602004004676 T2 DE602004004676 T2 DE 602004004676T2
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upstream
channel
branch
supercharger
vane
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c/o C.R.F. Società Marco Tonetti
c/o C.R.F. Società Giovanni Cornetti
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Centro Ricerche Fiat SCpA
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Drehung (Verwirbelung) in dem Luftstrom zur Versorgung eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere des Typs mit Abgasrückführung stromaufwärts des Aufladers.
  • Ein turboaufgeladener Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung stromaufwärts des Aufladers, das heißt in dem Niederdruckabschnitt des Versorgungskanals, ist Gegenstand der vorangegangenen Europäischen Patentanmeldung Nr. 04 425 279, eingereicht auf den Namen des vorliegenden Anmelders, gewesen. In Motoren dieses Typs wird ein Drosselventil in dem Kanal zur Luftversorgung stromaufwärts des Aufladers und stromaufwärts der Mündung des Kanals für Abgasrückführung bereitgestellt.
  • Eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus JP-A-60 047 818 bekannt. Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Verwirbelung in einem zu einem turboaufgeladenen Verbrennungsmotor zugeführten Luftstrom ist weiterhin aus DE 196 44 892 bekannt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die einerseits in der Lage ist, die Funktion der Partialisierung des Motoreinlasses, die herkömmlich mit einem Drosselventil erzielt wird, zu erfüllen, und die andererseits in der Lage ist, an dem Einlass zu dem Auflader eine Drehbewegung (Verwirbelung) in dem Luftstrom oder eine Vordrehung (Vorverwirbelung) zu erzeugen, die eine Verbesserung der Betriebsleistung des Aufladers ermöglicht.
  • Allgemein besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die in der Lage ist, die Wirbelbewegung oder Vorverwirbelung in dem Luftstrom zur Versorgung eines Verbrennungsmotors zum Beispiel auch in dem Fall zu erzeugen, in dem der Motor turboaufgeladen ist, jedoch nicht mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) stromaufwärts des Aufladers versehen ist.
  • Um diese und weitere Aufgaben zu erfüllen, ist die Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.
  • Aufgrund dieser Eigenschaft und wenn das Drosselventil etwas von seiner Position der größten Öffnung weg bewegt wird, verursacht es in jedem Fall eine Strömung der Versorgungsluft, die zu einer Wand des Kanals hin konvergiert, wodurch wiederum eine leichte Verwirbelung der Strömung nach der Richtungsänderung in dem Durchgang von der stromaufwärts liegenden Abzweigung zu der stromabwärts liegenden Abzweigung des bogenförmigen Teils verursacht wird.
  • Die oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile werden in jedem Fall aus der folgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen, die ausschließlich als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt werden, besser verständlich werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist ein Diagramm des Systems zur Versorgung eines turboaufgeladenen Dieselmotors, mit Abgasrückführung stromaufwärts des Aufladers, auf das die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet wird.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht und veranschaulicht die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die 3 und 4 sind Querschnittansichten der Vorrichtung aus 2.
  • 5 ist eine schematische Abbildung einer Reihe unterschiedlicher Betriebsbedingungen der Vorrichtung; und
  • 6 ist ein Diagramm und veranschaulicht den Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In 1 bezeichnet die Verweisziffer 1 als Ganzes einen Vierzylinder-Dieselmotor, mit einem Einlasskrümmer 2 und einem Abgaskrümmer 3. Der Einlass krümmer 2 nimmt die Versorgungsluft durch einen Kanal 4 auf, in dem ein Auflader 5 angeordnet ist. In dem Kanal 4, stromaufwärts des Aufladers 5, ist darüber hinaus auf hinlänglich bekannte Art und Weise eine Kühlvorrichtung oder ein Ladeluftkühler 6 angeordnet. Der Abgaskrümmer 3 ist mit einer Abgasrohrleitung 7 verbunden, in der angeordnet sind: eine Turbine 8, die mechanisch mittels einer Welle 9 mit dem Auflader 5 verbunden ist, um diesen in Drehung anzutreiben; sowie ein Partikelfilter 9. In dem veranschaulichten Beispiel sind sowohl ein System 11 für Abgasrückführung gemäß einer kurzen Strecke unmittelbar stromaufwärts des Einlasskrümmers 2 als auch ein System 12 für Abgasrückführung gemäß einer langen Strecke stromaufwärts des Aufladers 5 vorgesehen. Das System 11 umfasst einen Kanal 13, der durch ein Ventil 14 gesteuert wird und in dem ein Ladeluftkühler 15 angeordnet ist. Das AGR-System 12 umfasst einen Kanal 16, der durch ein Ventil 17 gesteuert wird. Der Kanal 13 versetzt den Abgaskanal 7 direkt in Verbindung mit dem Einlasskanal 4 stromaufwärts der Abzweigung 2, während der Kanal 16 Rückführung der Abgase oder eines Teils derselben an dem Auslass aus dem Partikelfilter 10 in den Einlasskanal 4 stromaufwärts des Aufladers 5 bewirkt.
  • Eine Vorrichtung 19 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Einlasskanal 4 stromaufwärts der Mündung 18 des AGR-Kanals 16 angeordnet.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung 19. Diese Vorrichtung umfasst im Wesentlichen einen bogenförmigen Teil des Kanals 20, mit einer stromaufwärts liegenden Abzweigung 21, die in dem veranschaulichten Beispiel einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und mit einer stromabwärts liegenden Abzweigung 22, die in dem veranschaulichten Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die beiden Abzweigungen 21, 22 bilden in dem Fall des veranschaulichten Beispiels zwischen sich einen Winkel von fast neunzig Grad. In der stromaufwärts liegenden Abzweigung 21 ist darüber hinaus ein Drosselventil 23 angeordnet, das ausgelegt ist, um den Durchflussabschnitt des Luftstroms durch die stromaufwärts liegende Abzweigung 21 zu partialisieren. In dem veranschaulichten Beispiel weist das Drosselventil 23 ein Leitschaufel-Element 24 auf, das schwingend wie ein Kipphebel um eine Achse 25 angebracht ist, die quer in Bezug auf die Strömungsrichtung der Versorgungsluft zu dem Einlass der Abzweigung 21 ausgerichtet ist und die orthogonal zu zwei gegenüberliegenden Wänden 21a der Abzweigung 21 ausgerichtet ist. Wie aus 3 deutlicher zu er kennen ist, ist die Oszillationsachse 25 der Leitschaufel 24, die das Drosselventil 23 darstellt, in einem Abstand von der Achse A der stromaufwärts liegenden Abzweigung 21 des bogenförmigen Teils 20 so angeordnet, dass, wenn sich die Leitschaufel 24 in ihrer maximalen Schließposition des Kanals befindet (in 3 veranschaulicht), in der eines ihrer Endränder in Kontakt mit der Wand des Kanals 23 kommt, der gegenüberliegende Rand der Wand 24, der mit 26 bezeichnet wird, in jedem Fall einen Bereich 27, der lediglich einen Teil des Gesamtquerschnittes der Abzweigung des Kanals 21 darstellt, neben der Bodenwand 21b (unter Bezugname auf die Zeichnung) für Durchgang der Luft freilässt.
  • Wenn sich demzufolge das Drosselventil 23 in seinem maximalen Schließzustand befindet, kommt stromaufwärts des Drosselventils eine konzentrierte Strömung neben der Wand 21b und in einem Abstand von der Achse A eingestellt an (2 und 3), was infolge der Richtungsänderung von der Abzweigung 21 zu der Abzweigung 22 (siehe 2) zu einer Dreh- oder Wirbelbewegung des Stromes selbst führt. Demzufolge durchquert der Luftstrom stromaufwärts des Drosselventils 23 die stromabwärts liegende Abzweigung 22 gemäß einer schraubenförmigen Bahn, wie dies schematisch durch den Pfeil G in 2 angedeutet wird.
  • Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung weist die Leitschaufel 24 ein flügelartiges Profil auf, so dass, wenn sie etwas in Bezug auf die Achse A der Abzweigung des Kanals 21 geneigt ist (siehe 5c), der Luftstrom, der ihre zwei gegenüberliegenden Flächen umgibt, dazu neigt, an diesen Flächen haften zu bleiben, so dass er in der Richtung der Wand 21b abgelenkt wird.
  • Die Bereitstellung der Vorrichtung 19 stromaufwärts der Mündung 18 des AGR-Kanals 16 ermöglicht die Erzeugung eines Unterdruckes und schließt damit das Drosselventil 23, was die Druckdifferenz an den Enden des AGR-Kanals 16 erhöht. Dies ermöglicht die Rückführung der Abgase unter Bedingungen, unter denen die Druckdifferenz zwischen dem Auslass des Partikelfilters 10 und dem Einlass zu dem Auflader 5 normalerweise nicht ausreichend wäre. Weiterhin verbessert dies somit ebenso die Regelkennlinie des Ventils 17, das in dem AGR-Kanal 16 angeordnet ist.
  • Zusätzlich zu dem oben genannten Vorteil ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Erzeugung der oben beschriebenen Wirbelbewegung in dem Strom der Versorgungsluft, zum Vorteil der Betriebsleistung des Aufladesystems.
  • 9 veranschaulicht verschiedene Positionen zur Steuerung der Leitschaufel 24 des Drosselventils 23. In dem in 5(a) veranschaulichten Zustand erreicht die Leitschaufel 24 die größte Neigung in Bezug auf die Achse A der Abzweigung des Kanals 21 und erzeugt demzufolge den größten Unterdruck. In diesem Zustand wird ebenso eine größte Wirkung in der Erzeugung der Wirbelbewegung erzielt, aufgrund der tangentialen Einleitung des Luftstroms in die stromabwärts liegende Abzweigung 22 des Teiles des Kanals 20, der zu dem Auflader führt. Der Spalt 27 für Fluiddurchgang ist dimensioniert, um einen Unterdruck zu gewährleisten, der ausreichend ist für die Rückführung der unter allen Betriebsbedingungen des Motors gewünschten Gasmenge.
  • In dem in 5(b) veranschaulichten Zustand bewegt sich der obere Rand (wie in der Figur gesehen) der Leitschaufel 24 weg von der entsprechenden Wand des Kanals, so dass die Luft ungehindert entweder unter oder über der Leitschaufel hindurchgehen kann. Da die Neigung der Leitschaufel 24 in Bezug auf die Achse A wesentlich bleibt, wird die Strömung, die die beiden gegenüberliegenden Flächen der Leitschaufel umgibt, in Bezug auf die Oberfläche der Leitschaufel „gelöst". Die Luftströmung über die Leitschaufel bewirkt natürlich eine Verringerung sowohl der Wirkung der Vorverwirbelung als auch der Wirkung von Saugdruck.
  • In dem in 5(c) veranschaulichten Zustand, bei dem die Neigung der Leitschaufel 24 in Bezug auf die Achse A relativ klein wird, ermöglicht das aerodynamische Profil der Leitschaufel 24, dass die Strömung, die ihre beiden gegenüberliegenden Flächen umgibt, daran haftet. Demzufolge ergibt sich daraus eine Ablenkung des gesamten Luftstroms nach unten (wie in der Figur gesehen) in der Richtung der Wand 21b, wodurch somit eine entsprechende Zunahme der Wirkung der Vorverwirbelung erzielt wird, in Bezug auf den Zustand der 5(b). In dem genannten Zustand wird der Strömungswiederstand beachtlich reduziert. Je größer die Optimierung des Profils der Leitschaufel ist, umso kleiner ist der Druckabfall mit der erzeugten Vorverwirbelung. Diese Betriebsart ist insbesondere für diejenigen Betriebszustände des Motors interessant, in denen keine Abgasrückführung vorliegt, so dass Unterdruck nicht erforderlich ist, in de nen sich jedoch das Verhalten des Aufladers verbessert, wodurch das Ausmaß von Vorverwirbelung erhöht wird.
  • Schließlich ist die Leitschaufel 24 in dem in 5(d) veranschaulichten Zustand parallel zu der Achse A, so dass ein minimaler Strömungswiderstand und das vollständige Verschwinden der Wirkung von Vorverwirbelung, die andererseits bei hoher Drehzahl nicht wesentlich ist, erzielt werden.
  • 6 zeigt ein Diagramm, das ein mögliches Nutzungskriterium der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Dieselmotor bereitstellt. Jeder Punkt der Ebene aus 6 entspricht einem bestimmten Betriebszustand des Motors, der durch einen gegebenen Drehwert und durch einen gegebenen Wert des effektiven Mitteldrucks bestimmt wird. Das Diagramm ist in die Bereiche (a), (b), (c) und (d) unter einer Kurve L eingeteilt, die den Volllastzustand andeutet. Ein jeder Bereich entspricht dem Betriebszustand, der in 5 mit dem gleichen Buchstaben bezeichnet wird. Die Linie E gibt den Grenzwert der Betriebszustände an, bei dem Rückführung der Abgase erfolgt. Wie zu erkennen ist, befindet sich die Leitschaufel bei geringer Last und geringer Drehzahl des Motors in der größten Schließposition (a) und wird zu der Position größter Öffnung hin verschoben, wenn die Last und die Drehzahl zunehmen. An den Punkten von Volllast und geringer Drehzahl ermöglicht die Vorverwirbelungsbewegung, bei höheren Werten des Aufladedruckes, Verschieben des Einsetzens des Phänomens des sägenden Motorbetriebes in dem Auflader. Somit ist es möglich, bei Zunahme der Motorleistung in größerem Maße aufzuladen. Wenn sich die Drehzahl erhöht, ist es ratsam, die Vorrichtung allmählich zu öffnen, das heißt den Auffallwinkel der Leitschaufel zu reduzieren, um den Druckverlust einzuschränken, der aufgrund der Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Bei Volllast, bei einer Drehzahl von mehr als 2000, ergibt die Drehung der Luft an dem Einlass des Aufladers keine weiteren Vorteile.
  • An den Punkten von Teillast ist es notwendig, ausreichenden Unterdruck für die Rückführung der gewünschten Gasmenge zu garantieren. Die Leitschaufel arbeitet dann bei großen Winkeln (Positionen (a) und (b)). Die durch die Vorrichtung unter diesen Bedingungen erzeugte Vorverwirbelung ermöglicht gleichzeitig eine Verbesserung der Leistung des Aufladers, wodurch die in der Turbine gewonnene Arbeit und demzufolge der Gegendruck an dem Auslass reduziert werden. Dies bewirkt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und des Schadstoffausstoßes.
  • Im Vergleich zu dem früher von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagenen System, welches Abgasrückführung stromaufwärts des Aufladers vorsah, das heißt in der Niederdruckstrecke des Versorgungskanals, mit einem Drosselventil an dem Einlass des Aufladers, ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, die folgenden Vorteile zu erzielen:
    • – Erhöhung der Leistung des Motors bei niedriger Drehzahl, grundsätzlich aufgrund höherer zulässiger Aufladedrücke, ohne dass sägender Betrieb des Aufladers eintritt; und
    • – geringerer Verbrauch bei Teillast aufgrund der Erhöhung der Leistung des Aufladers und potentiell geringere Schadstoffemission aufgrund der Reduzierung des zugeführten Kraftstoffs bei geringerem Verbrauch.
  • Im Vergleich zu anderen bekannten Vorrichtungen, die in der Lage sind, Verwirbelung des Versorgungsluftstroms an dem Einlass des Aufladers zu erzeugen, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, dass keine Kostenerhöhung in Bezug auf den mit einem System für Gasrückführung bei geringem Druck ausgerüsteten Motor entsteht, sowie den Vorteil, dass bequemer Einbau der Vorrichtung ermöglicht wird.
  • Der erfindungsgemäße Motor ist mit einer elektronischen Steuereinheit versehen, die Aktor- oder Stellgliedeinrichtungen beliebiger bekannter Ausführung (nicht dargestellt) steuert, die das Öffnen des Drosselventils entsprechend Signalen, die von Sensoren zum Erfassen der Motordrehzahl und der Motorlast ausgegeben werden, entsprechend einer vorgegebenen Logik, zum Beispiel auf Basis einer Karte der in 6 veranschaulichten Art, steuern.
  • Natürlich können Details der Ausführung und der Ausführungsformen von dem hier ausschließlich beispielhaft Beschriebenen und Veranschaulichten weit abweichen, ohne dass die Grundsätze der Erfindung beeinflusst werden oder dass von dem Erfindungsbereich abgewichen würde.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Wirbelbewegung im Luftstrom (F) zur Versorgung eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere des Typs mit Abgasrückführung (AGR) stromaufwärts des Aufladers, die Vorrichtung umfasst: einen bogenförmigen Teil eines Kanals (20) zur Luftversorgung, mit einer stromaufwärts liegenden Abzweigung (21) und einer stromabwärts liegenden Abzweigung (22), die zwischen einander einen Winkel bilden; wobei die stromaufwärts liegende Abzweigung (21) einen rechteckigen Querschnitt hat und die stromabwärts liegende Abzweigung (22) einen kreisförmigen Querschnitt hat und sich im Wesentlichen senkrecht zu der stromaufwärts liegenden Abzweigung erstreckt; und eine Einrichtung zum Partialisieren des Durchflussabschnitts des Luftstroms durch die stromaufwärts liegenden Abzweigung (21), die in der Lage ist, den Durchflussabschnitt des Fluids auf einen Bereich (27), der nur einen Bruchteil des Gesamtabschnitts des Kanals, angrenzend an eine Wand (21b) des Kanals, bildet, derartig zu begrenzen, dass der stromabwärts liegende Teil (22) des gebogenen Teils (20) von einem örtlich begrenzten tangentialen, an eine Wand des Kanals angrenzenden, Strom erreicht wird, der so, auf Grund der Richtungsänderung von der stromaufwärts liegenden Abzweigung zu der stromabwärts liegenden Abzweigung, gezwungen wird, die stromabwärts liegende Abzweigung entsprechend einer im Wesentlichen spiralförmigen Bahn zu durchfließen; wobei die Partialisierungseinrichtung ein Ventil (23) mit einer Leitschaufel (24), die über eine Achse (25) oszillierend in der stromaufwärts liegenden Abzweigung (21) des bogenförmigen Teils (20) des Kanals befestigt ist, umfasst; wobei die Oszillationsachse (25) der Leitschaufel (24) senkrecht zu zwei gegenüberliegenden Wänden (21a) der stromaufwärts liegenden Abzweigung (21) des Kanals ist und die Oszillationsachse (25) in einem Abstand von der Mittelachse (A) der stromaufwärts liegenden Abzweigung (21) eingerichtet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (23) ein Drosselventil ist, das derartig schwenkbar um die Achse (25) befestigt ist, dass, wenn ein Ende der Ventil-Leitschaufel in Kontakt mit einer Wand des Kanals ist, das gegenüberliegende Ende in einem Abstand von der ihm zugewandten Wand (21b) des Kanals ist, um so den Durchflussbereich (27) freizulassen; und dadurch, dass die Leitschaufel (24) ein Profil eines aerodynamischen Flügels hat, so dass, wenn die Leitschaufel (24) in Beziehung zu der Achse (A) der stromaufwärts gelegenen Abzweigung (21) eine verringerte Neigung hat, der Luftstrom, der die zwei gegenüberliegenden Flächen der Leitschaufel umgibt, dazu neigt, in einer solchen Art und Weise daran festzuhalten, dass der gesamte Strom durch die Leitschaufel in die Richtung einer Wand (21b) des Kanals (21) abgelenkt wird.
  2. Verbrennungsmotor, der einen Auflader (5), der in einen Kanal (4) zum Zuführen der Luft zu dem Motor eingefügt ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst, die stromaufwärts des Aufladers (5) in den Versorgungskanal (4) eingefügt ist.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung stromaufwärts der Mündung (18) eines Kanals (16) zur Abgasrückführung eingefügt ist.
  4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der AGR-Kanal (16) von einem Abgaskanal (7) des Motors stromaufwärts einer Turbine (8) zum Antreiben des Aufladers (5) und stromaufwärts eines Partikelfilters (10) abzweigt.
  5. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einer elektronischen Steuereinheit versehen ist, die Aktoreinrichtungen zum Steuern der Drossel entsprechend Signalen, die die Motordrehzahl und Motorlast anzeigen, steuert, und die eine Erhöhung des Drosselventilöffnungsgrades entsprechend einem vorgegebenen Kriterium ermöglicht, während sich die Last und die Drehzahl erhöhen.
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