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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Bypasskanal zum sogenannten Scavenging.
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass insbesondere bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit Turboladern der Ladedruck höher sein kann als der Abgasgegendruck. Dieser Zustand wird auch als positives Spülgefälle bezeichnet. Das positive Spülgefälle kann zur Ladedrucksteigerung (Ladungsverdünnung und/oder Drehmomentsteigerung) genutzt werden, indem Ladeluft über einen Bypasskanal direkt vom Ansaugtrakt in den Abgastrakt geleitet wird. Dies wird als Scavenging bezeichnet.
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Aus
DE 44 39 573 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Bypass in Form einer Abzweigleitung, welche die Ansaugleitung mit der Abgasleitung verbindet. Über ein Steuerventil kann ein Teil der vom Verdichter des Abgasturboladers geförderten Ladeluft ungekühlt in die Abgasleitung eingeleitet werden, wenn im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine nach der Haupteinspritzung gegen Ende der eigentlichen Verbrennungsphase zusätzlicher Brennstoff in die Zylinder eingespritzt wird. Auf Scavenging wird in der
DE 44 39 573 A1 nicht Bezug genommen. Überdies ist im Leerlaufpunkt nicht mit positivem Spülgefälle zu rechnen.
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Aus
DE 10 2009 043 086 A1 und aus
DE 101 54 151 A1 sind Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader und Abgasrückführung bekannt, bei welchen der Kanal zur Abgasrückführung zum Scavenging in umgekehrter Richtung durchströmt wird. Dazu ist jeweils ein entsprechendes Ventil in dem Kanal angeordnet, welches über eine Regel- oder Steuereinheit aktiv betätigt wird.
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Aus
DE 199 13 792 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Überströmleitung mit einem Sperrventil. Die Überströmleitung soll sowohl für Scavenging als auch zur Abgasrückführung eingesetzt werden. Der Öffnungsquerschnitt des Sperrventils soll variierbar sein, und eine Steuereinheit soll das Sperrventil in der Überströmleitung ansteuern, um den vorgesehenen Strömungsquerschnitt einzustellen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass für das Scavenging eine Steuer- und/oder Regeleinheit erforderlich ist und dass die Sperrventile sowohl für die Abgasrückführung als auch für das Scavenging ausgelegt sein müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Bypasskanal zum Scavenging zur Verfügung zu stellen, welcher die Kosten für das Scavenging verringert und die Qualität sowie die Effizienz des Scavenging-Vorgangs verbessert.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor umfasst einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem mit der Turbine über eine Welle gekoppelten Verdichter sowie einen Abgasrückführungskanal. Ferner ist ein weiterer Bypasskanal mit mindestens einem passiven, druckgesteuerten Ventil vorgesehen, welcher die Einlassseite des Verbrennungsmotors mit der Auslassseite des Verbrennungsmotors verbindet. Unter einem druckgesteuerten, passiven Ventil wird ein Ventil verstanden, welches aufgrund seiner Konstruktionsweise ausschließlich in Abhängigkeit der das Ventil umgebenden Druckverhältnisse öffnet oder schließt. Umfasst sind damit insbesondere nicht aktive Ventile, welche aufgrund von Regel- und/oder Steuersignalen über zusätzliche Regel- und/oder Steuereinrichtungen schalten. Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor hat den Vorteil, dass Scavenging einfach und kostengünstig über einen separaten Bypasskanal unabhängig von der Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Da ein separater Bypasskanal vorhanden ist, kann das Scavenging auch unabhängig von anderen Rahmenbedingungen erfolgen. Nur beispielhaft wird diesbezüglich auf Scavenging durch Abgasrückführungskanäle verwiesen, welches die in der Beschreibungseinleitung erwähnten Nachteile aufweist sowie auf Scavenging durch Zylinder, bei welchem insbesondere stets eine Überprüfung des Hubgesetzes erforderlich ist (Vermeidung einer Kollision von Kolben und Ventilen). Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor erlaubt im Vergleich zu den bekannten Möglichkeiten des Scavenging über einen Abgasrückführungskanal und/oder durch die Zylinder eines Verbrennungsmotors eine nachfolgend noch im Detail erläuterte, verbesserte Ausnutzung des Scavenging-Potentials unabhängig von der Motorgeometrie und dem aktuellen Brennzustand der Zylinder des Verbrennungsmotors. Auf aufwändige Ventilsteuerungs-Variablitäten kann aufgrund des einfachen Aufbaus des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors verzichtet werden. Abhängig vom Typ des Verbrennungsmotors und der Intensität des Scavenging kann gegebenenfalls die Abgastemperatur gesenkt werden. In diesem Fall können darüber hinaus ggf. durch Anpassungen des Materials bei Abgaskrümmer und Turbolader weitere Einsparungen erzielt werden.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors steht das Ventil in Wirkverbindung mit mindestens einem Rückstellelement, welches das Ventil in seiner geschlossenen Position hält. Durch ein derartiges Rückstellelement kann die geschlossene Ventilposition, in welcher die Funktion des Verbrennungsmotors durch den Bypasskanal nicht beeinflusst wird, als Vorzugsposition des Ventils definiert werden. Eine druckbedingte temporäre Öffnung des Ventils wird somit von dem Rückstellelement unmittelbar durch einen Schließvorgang beendet, sobald die Druckdifferenz in Richtung Offenstellung des Ventils nicht mehr ausreicht, um die Schließkraft des Ventils zu überwinden.
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Um die Masse sowie die Kosten des Rückstellelementes gering zu halten und ein möglichst gutes Ansprechverhalten zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn das Rückstellelement das Ventil mit einer Vorspannung von maximal 10 N beaufschlagt. Besonders bevorzugt ist eine Vorspannung von maximal 5 N und weiter bevorzugt eine Vorspannung von maximal 2 N.
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Die vorstehenden Werte lassen sich insbesondere dann sehr gut realisieren, wenn das Ventil als einfaches Tellerventil mit ebenfalls geringer Masse ausgebildet ist. Ein Tellerventil hat den weiteren Vorteil, dass es kostengünstig herstellbar ist und linear über einen Ventilschaft geführt sein kann. Als Beispiel für ein Ventil mit geringer Masse wird auf ein als Hohlventil in Blechausführung ausgeführtes Tellerventil verwiesen.
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Ein Ventilschaft, insbesondere wenn dieser eine zylindrische oder kreiszylindrische Form aufweist, eignet sich sehr gut zur Führung einer Feder als Rückstellelement. Diesbezüglich geeignet sind vor allem kostengünstige und in vielen Standardgrößen verfügbare Schraubenfedern.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weist das Ventil einen Durchmesser von weniger als 50 mm auf. Bei einem Tellerventil ist der genannte Durchmesser bezogen auf den äußeren Tellerrand. Bevorzugt ist der Durchmesser des Ventils kleiner als 40 mm. Besonders bevorzugte Durchmesser eines Ventils für den Bypasskanal erfindungsgemäßer Verbrennungsmotoren liegen zwischen 15 und 35 mm bzw. zwischen 25 und 30 mm. Mit Ventilen dieses Durchmessers kann ein Verbrennungsmotor zuverlässig und zugleich kostengünstig mit Scavenging betrieben werden.
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Nachfolgend werden weitere Rahmenbedingungen genannt, die jede für sich, jedoch insbesondere auch in Kombination mit den anderen Rahmenbedingungen, mit besonderen Vorteilen verbunden sind.
- a) Die Federsteifigkeit der Feder ist kleiner als 10 N/mm (bevorzugt ist die Federsteifigkeit kleiner als 7 N/mm; besonders bevorzugt liegt die Federsteifigkeit im Bereich von 2–5 N/mm).
- b) Die Feder ist um einen fest mit dem Ventil verbundenen Ventilschaft angeordnet.
- c) Der Ventilschaft des Ventils ist auf einer fluidal mit der Auslassseite des Verbrennungsmotors verbundenen Abgasseite angeordnet.
- d) Der Ventilhub des Ventils beträgt maximal 20 mm, bevorzugt, 1–15 mm und besonders bevorzugt 2–10 mm.
- e) Das Rückstellelement ist so ausgelegt, dass die maximal zu erwartende, auf das Ventil wirkende Kraft kleiner ist als die Rückstellkraft des Rückstellelements bei maximalem Ventilhub.
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Bei Erfüllung der zuletzt genannten Voraussetzung e) ist sichergestellt, dass das Ventil sich im Normalbetrieb nicht in seine vollständig geöffnete Position bewegt wird. Dadurch wird ein mechanisches Anschlagen des Ventils in Offenstellung verhindert, so dass Geräusche und/oder Beschädigungen des Ventils während des Öffnungsvorgangs nicht zu erwarten sind.
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Das Ventil kann entweder an seinem Ventilschaft gehäuseseitig geführt sein. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Ausbildung der gehäuseseitigen Führung einfach und kostengünstig erfolgen kann, wenn diese durch entsprechende Konstruktion des Bypasskanals erfolgt. Separate Elemente und damit verbundene Montagevorgänge sind in diesem Fall nicht erforderlich.
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Alternativ kann das Ventil an seinem Ventilschaft gegenüber einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Führungselement geführt sein. Ein derartiges Führungselement ist zwar als separates Element mit zusätzlichen Herstellungs- und Montagekosten verbunden, hat jedoch den Vorteil, dass es als Verstelleinrichtung in Erstreckungsrichtung des Ventilschaftes verstellbar ausgebildet sein kann, um relativ zum Ventilteller verschoben werden zu können. Die Rückstellkraft des Rückstellelements kann dadurch variiert werden.
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Eine Verstelleinrichtung zur Verstellung der wirksamen Länge des Rückstellelements kann auch dadurch realisiert werden, dass der Ventilteller einen in Erstreckungsrichtung des Ventilschaftes verstellbaren Anschlag für das Rückstellelement aufweist oder dadurch, dass anstelle des Ventiltellers und/oder des Gehäuses bzw. Führungselementes ein anderer, verstellbarer Anschlag für das Rückstellelement eingesetzt wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Verbrennungsmotor mit maximal vier Zylindern. Bevorzugte erfindungsgemäße Verbrennungsmotoren weisen nur drei oder weniger Zylinder auf. Im Falle von vier oder mehr Zylindern sind sehr kurze Auslasszeiten bevorzugt, so Motorzyklusphasen existieren, in welchen alle Auslassventile geschlossen sind.
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Weiter bevorzugt handelt es sich um einen für das Selbstzündungsverfahren ausgelegten Hubkolbenmotor (Dieselmotor).
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einem ersten Zustand,
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2 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einem zweiten Zustand,
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3 den gemessenen Druck über der Zeit saugseitig und abgasseitig eines Ventils eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
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4 eine erste Ausführungsform eines Ventils eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors und
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5 eine zweite Ausführungsform eines Ventils eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
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Die 1 bis 5 nehmen Bezug auf verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verbrennungsmotoren 10. Für Elemente der Verbrennungsmotoren 10, die identisch oder funktionsgleich sind, werden im Folgenden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit einem Abgasturbolader 12 und einem Abgasrückführungskanal 14 in zwei verschiedenen Zuständen. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst vier Zylinder 16a–d. Der Abgasturbolader 12 umfasst eine Turbine 18 und einen Verdichter 20. Die Turbine 18 wird von aus den Zylindern 16a–d ausströmendem Abgas angetrieben und treibt somit über eine Welle 22 den Verdichter an.
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Aus den Zylindern 16a–d ausströmendes Abgas kann auch über den Abgasrückführungskanal 14 in den Ansaugbereich gelangen, wenn ein in dem Abgasrückführungskanal angeordnetes Abgasrückführventil 24 geöffnet ist. Über einen Abgasrückführungs-Kühler 26 kann Wärme aus dem Abgas abgeführt werden.
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Ladeluft, die den Verdichter 20 durchströmt hat, kann Wärme über einen Ladeluftkühler 28 entzogen werden.
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Ladeluft und/oder über den Abgasrückführungskanal in den Ansaugbereich zurückgeführtes Abgas können nicht nur durch die Zylinder 16a–16d in den Abgasbereich strömen, sondern auch über einen separaten Bypasskanal 30, wenn ein in dem Bypasskanal 30 angeordnetes Ventil 32 geöffnet ist. Dieser Zustand ist in 2 gezeigt. Der Massenstrom zur Turbine wird in diesem Zustand durch Scavenging erhöht.
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1 zeigt das in dem Bypasskanal 30 angeordnete Ventil 32 in geschlossenem Zustand. In diesem Fall kann Abgas ausschließlich durch die Zylinder 16a–16d vom Ansaugbereich in den Abgasbereich gelangen.
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Das in den 1 und 2 nur schematisch, gezeigte Ventil 32 ist passiv und druckgesteuert. Es kann insbesondere wie in den 4 und 5 gestaltet sein. Auf diese Gestaltungen wird in Verbindung mit diesen Figuren noch im Detail eingegangen.
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Zunächst wird jedoch noch unter Bezugnahme auf 3 erläutert, wann Potential für das in 2 gezeigte Scavenging mit dem im Bypasskanal 30 geöffneten Ventil 32 vorhanden ist.
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3 zeigt einen gemessenen Druckverlauf eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors (R3 TDI Motor) bei 2.500 Umdrehungen/min und einem Drehmoment von 200 Nm. Mit dem Bezugszeichen 34 ist der saugseitige Druckverlauf gekennzeichnet, mit dem Bezugszeichen 36 der abgasseitige Druckverlauf. Wie zu erkennen ist, treten in jedem Motorzyklus in den gestrichelt gekennzeichneten Bereichen 38 Phasen auf, in welchen das saugseitige Druckniveau höher ist als das abgasseitige Druckniveau (positives Spülgefälle). In den Phasen mit positivem Spülgefälle ist sichergestellt, dass bei geöffneten Ventil 32 eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 Gas in Richtung des Pfeils 40 in 2, d. h. in Richtung Verdichter durch den Bypasskanal 30 strömt. Das Potential dieser Phasen soll mit erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoren 10 möglichst vollständig ausgeschöpft werden.
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Zwei Ausführungsformen von Ventilen 32 für einen Bypasskanal 30 eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 sind in den 4 und 5 dargestellt, wobei das in 4 dargestellte Ventil 32 besonders einfach in der Herstellung ist und das in 5 dargestellte Ventil im eingebauten Zustand verstellbar ist.
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Die in den 4 und 5 gezeigten Ventile 32 sind beide in einem Gehäuse 42 angeordnet, das einstückig in dem Bypasskanal ausgebildet oder fest in diesem angeordnet sein kann. Beide Ventile 32 sind als Tellerventile mit einem konisch geformten Ventilteller 44, welcher mit einem komplementär ausgebildeten, gehäuseseitig fixierten oder in diesem ausgebildeten Ventilsitzring 46 zusammenwirkt. Beide Ventile 32 weisen einen fest mit dem Ventilteller 44 verbundenen oder einstückig an diesem ausgebildeten, zylindrischen Ventilschaft 52 auf, der in das Gehäuse 42 hineinragt.
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Um den Ventilschaft 52 ist als Rückstellelement 54 eine Schraubenfeder 56 angeordnet, welche sich auf der einen Seite an der der Abgasseite 50 zugewandten Fläche 58 des Ventiltellers und auf der anderen Seite an dem Gehäuse 42 (4) bzw. an einem fest mit dem Gehäuse 42 verbundenen Führungselement 60 (5) abstützt.
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Während bei der in 4 gezeigten Ausführungsform das Gehäuse 42 selbst als Führung 62 für den Ventilschaft 52 dient, ist bei der in 5 gezeigten Ausführungsform in dem Führungselement 60 eine Führung 62 ausgebildet.
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Das Führungselement 60 ist in 5 nur schematisch dargestellt. Es kann eine deutlich größere Länge l aufweisen, insbesondere eine Länge l, die es ermöglicht, den Ventilschaft 52 vollständig aufzunehmen und zu führen, so dass eine Ausnehmung des Ventilschaftes 52 im Gehäuse 42 entfallen kann.
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Mit dem Doppelpfeil 64 in 5 ist angedeutet, dass das Führungselement 60 als Verstelleinrichtung 66 ausgebildet und dazu in Erstreckungsrichtung des Ventilschaftes 52 verstellbar sein soll, um die wirksame Federlänge x der Schraubenfeder 56 gegenüber der in 5 dargestellten Position verkürzen zu können. Die Vorspannung der Schraubenfeder 56 der in 5 dargestellten Ausführungsform kann daher erhöht werden, indem das Führungselement in Richtung Ventilteller 44 verstellt wird.
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Die wirksame Federlänge x der Schraubenfeder 56 der in 4 gezeigten Ausführungsform des Ventils 32 ist nicht verstellbar.
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Die 4 und 5 zeigen das jeweilige Ventil 32 in seiner geschlossenen Stellung, in welcher die fluidal mit der Einlassseite des Verbrennungsmotors verbundene Saugseite 48 durch das Ventil 32 von der fluidal mit der Auslassseite des Verbrennungsmotors verbundenen Abgasseite 50 getrennt ist. Lässt die Druckdifferenz zwischen Abgasseite 50 und Saugseite 48 eine Verschiebung des Ventiltellers 44 in Richtung Abgasseite 50 zu, öffnet sich die fluidale Verbindung. Es beginnt eine Phase des Scavenging, ohne dass es dazu einer Steuer- und Regeleinrichtung bedarf.
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Die Vorspannung der Schraubenfeder 56 der in 5 gezeigten Ausführungsform kann bei entsprechender Auslegung des Systems und entsprechendes Verstellen des Führungselements 60 in Richtung Ventilteller 44 so stark erhöht werden, dass die Druckdifferenz bei maximalem positivem Spülgefälle nicht ausreicht, um das Ventil 32 zu öffnen. Der Bypasskanal bleibt in diesem Fall permanent deaktiviert.
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Die in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen von Tellerventilen 32 öffnen bei einer Druckdifferenz von ca. 50 hPa. Bevorzugt sind Werte zwischen 10 hPa und 100 hPa, besonders bevorzugt Werte zwischen 30 hPa und 70 hPa.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Abgasturbolader
- 14
- Abgasrückführungskanal
- 16a–d
- Zylinder
- 18
- Turbine
- 20
- Verdichter
- 22
- Welle
- 24
- Abgasrückführventil
- 26
- Abgasrückführungs-Kühler
- 28
- Ladeluftkühler
- 30
- Bypasskanal
- 32
- Ventil
- 34
- saugseitiger Druckverlauf
- 36
- abgasseitiger Druckverlauf
- 38
- gestrichelt gekennzeichneter Bereich
- 40
- Pfeil
- 42
- Gehäuse
- 44
- Ventilteller
- 46
- Ventilsitzring
- 48
- Saugseite
- 50
- Abgasseite
- 52
- Ventilschaft
- 54
- Rückstellelement
- 56
- Schraubenfeder
- 58
- abgasseitige Fläche des Ventils
- 60
- Führungselement
- 62
- Führung
- 64
- Doppelpfeil
- 66
- Verstelleinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4439573 A1 [0003, 0003]
- DE 102009043086 A1 [0004]
- DE 10154151 A1 [0004]
- DE 19913792 A1 [0005]