VERBRENNUNGSMOTORS, AUFWEISEND DIODISCHE VENTILSCHLEIFEN

Technisches Gebiet

Die Offenbarung betrifft eine Sekundärluftleitung für einen Abgastrakt eines Verbrennungsmotors. Eine Sekundärluftleitung, die vor oder bei einer Anfettung eines Luft-Kraft- stoffgemisches zum Einblasen von Sekundärluft zur Reduzierung der Startemissionen genutzt wird, kann nach Abschaltung der Sekundärluftzufuhr als Resonator wirken, was zu Resonanzeffekten mit unerwünschten Überhöhungen oder Absenkungen der Temperatur- , Druck- oder Geschwindigkeitsverläufe im Sekundärluftkanal selbst und/oder im motornahen Abgassystem führen kann.

Hierdurch kann die Funktion bzw. ein energetischer Wirkungsgrad anderer Bauteile z.B. Turbolader beeinträchtigt werden. Dies kann die Anwendung zusätzlicher Komponenten erforderlich machen. Hierzu gehören beispielsweise Absperrventile und dazugehörige Regelungskonzepte.

DE 10 2010 050 098 A1 betriff einen Wärmetauscher mit hydrostatischem Strömungsventil. Offenbart ist ein Strömungsventil ohne bewegliche Teile in der Anwendung als Wärmetauscher. Das Strömungsventil verwendet Totwasserzonen und Querschnittsänderungen dieser Zonen zum hydrostatischen Ausgleich der Druckunterschiede des durchströmenden Fluids in den verschiedenen Temperaturzonen.

Beschreibung

Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Offenbarung soll eine Sekundärluftleitung angegeben werden, mit der die oben genannten Nachteile abgestellt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer Sekundärluftleitung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich. Vorgesehen ist demgemäß eine Sekundärluftleitung für einen Abschnitt eines Abgastrakts eines Verbrennungsmotors, aufweisend eine Hauptleitung mit winkelig zueinander angeordneten Hauptströmungsachsen und mit diodischen Ventilschleifen, die einen Zulauf aufweisen, der sich fluidleitend aus der Hauptleitung erstreckt, sowie einen gegenüber der Hauptströmungsachsen um einen Ausgangswinkel geneigten Ablauf, der fluidleitend mit der Hauptleitung verbunden ist, wobei der Zulauf und der Ablauf innerhalb der diodischen Ventilschleifen fluidleitend miteinander verbunden sind.

Die Hauptströmungsachsen sind winkelig gegenübereinander angeordnet, wobei der Winkel flach sein kann. Die Verwendung einiger weniger diodischer Ventilschleifen stellt eine Lösung zur Reduzierung der unerwünschten strömungs- bzw. thermodynamischen Nebeneffekte in Verbrennungsmotoren dar, welche die Hauptfunktion des Sekundärkanals nicht beeinflusst. Zudem kommt sie ohne bewegliche Komponenten und zusätzliche Regel- / Steuerelemente aus. Regel und Steuerelemente sind bei den im Abgastrakt herrschenden Temperatur- und Druckschwankungen robust und dementsprechend teuer. Es ist demnach vorteilhaft, wenn keine Regel- und Steuerelemente im Abgastrakt notwendig sind.

Eine Sekundärluftleitung ist ein Gebilde, das dazu ausgestaltet ist, eine fluidleitende Verbindung zwischen einem Sekundärluftgebläse und einem Abgastrakt eines Verbrennungsmotors zu schaffen. Ein Sekundärluftgebläse fördert in Betriebspunkten des Verbrennungsmotors, in welchen dieser mit einem fetten Gemisch betrieben wird, Luft in den Abgastrakt, so dass übrig gebliebene Kohlenwasserstoffe im Katalysator oxidiert werden können. Weiterhin existieren Lösungen, bei denen ein Heizgitter stromaufwärts von dem Katalysator mit Sekundärluft durchströmt wird, um den Katalysator zu erwärmen.

Der Zulauf ist eine Position in der Sekundärluftleitung, an der die jeweilige diodische Ventilschleife fluidleitend abgezweigt ist. Der Zulauf kann denselben Querschnitt aufweisen wie die Hauptleitung. Der Zulauf erstreckt sich in einem möglichst flachen Winkel aus der Hauptleitung bzw. ohne Richtungsumkehr, d.h. geradlinig. An jeder Ventilschleife knickt die Hauptleitung um 20° bis 40° ab.

Der Ablauf ist eine Position in der Sekundärluftleitung, an der eine diodische Ventilschleife zurück in die Hauptleitung mündet. Der Ablauf kann denselben Querschnitt aufweisen wie die Hauptleitung.

Der besagte Abschnitt, in dem die Ventilschleifen angeordnet sind, ist ein Teil der Sekundärluftleitung. Es können mehrere Abschnitte mit jeweils einer diodischen Ventilschleife vorgesehen sein. Die diodische Ventilschleifen können auch versetzt an gegenüberliegenden Seiten der geraden oder gekrümmten Hauptleitung angeordnet sein. Dies ist in den Ausführungsbeispielen nicht dargestellt.

Die Hauptleitung ist der Teil der Sekundärluftleitung, der für eine fluidleitende Verbindung zwischen der Sekundärluftpumpe und dem Abgastrakt sorgt. Luft strömt mit einem geringeren Strömungswiderstand von der Sekundärluftpumpe zu dem Abgastrakt und mit einen höheren Strömungswiderstand von dem Abgastrakt zu der Sekundärluftpumpe. Wird keine Luft von der Sekundärluftpumpe gefördert, kann nicht viel Abgas in die Sekundärluftleitung gelangen, da in dieser Richtung der Strömungswiderstand höher ist. Zudem werden Schwingungen in der Sekundärluftleitung rasch abgebaut, da der erhöhte Strömungswiderstand dämpfend wirkt. Die Sekundärluftpumpe ist häufig im Motorraum neben dem Verbrennungsmotor angeordnet. Die Sekundärluftleitung erstreckt sich von der Sekundärluftleitung bis zu einem Abschnitt des Abgastraktes stromabwärts von den Auslassventilen und stromaufwärts von dem Katalysator.

Entlang der Hauptströmungsachsen strömt im Betrieb der Sekundärluftpumpe Luft in Richtung zum Abgastrakt.

Bei der diodischen Ventilschleife handelt es sich um eine in die Sekundärluftleitung integrierte, einfach aufgebaute und ohne aktive Komponenten arbeitende Schleife, die eine Strömung entlang der Hauptströmungsachse in einer Richtung erleichtert und in der umgekehrten Richtung erschwert.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine fluidleitende Erstreckung des Zulaufs der Ventilschleife entlang der Hauptströmungsachsen fortgesetzt ist.

Ein Querschnitt der Ventilschleifen ist in einer Ausgestaltung so groß wie ein Querschnitt der Hauptleitung, zumindest aber 90% so groß. Dies hat sich als vorteilhaft gegenüber alternativen Gestaltungen erwiesen. In Experimenten wurden Ventilschleifen mit deutlich kleineren Querschnitten getestet. Hierbei musste im Bereich der Ventilschleife jedoch der Querschnitt der Hauptleitung vergrößert werden, um einen geringen Strömungswiderstand in einer Förderrichtung der Sekundärluftleitung zu erzielen. Dieser erhöhte Querschnitt führte dazu, dass auch entgegengesetzt zur Förderrichtung der Strömungswiderstand verringert ist. Daher hat es sich bewährt, dass der Querschnitt der Ventilschleifen dem Querschnitt der Hauptleitung entspricht.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass maximal drei diodische Ventilschleifen in einer Sekundärluftleitung angeordnet sind. Es können weitere Ventilschleifen vorgesehen sein, hierdurch wird der Effekt aber nicht mehr wesentlich verstärkt. In Untersuchungen haben sich drei Ventilschleifen bewährt.

Messungen bei stehender Sekundärluftpumpe belegen, dass eine maximale Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Sekundärluftkanal in den Abgastrakt bei drei Ventilschleifen sich gegenüber zwei Ventilschleifen um 4% verringert. Dieser Effekt tritt nahezu konstant über einer gesamten gemessenen Motordrehzahl auf. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ändert sich bei zwei diodischen Ventilschleifen gegenüber einer Sekundärluftleitung ohne Ventilschleifen um über 30%. Daher ist ab der vierten Ventilschleife keine größere Änderung mehr zu erwarten.

In einer Ausgestaltung ist dennoch vorgesehen, dass maximal vier diodische Ventilschleifen in einer Sekundärluftleitung angeordnet sind. Wie oben erwähnt können drei Ventilschleifen in einigen Anwendungen und Betriebspunkten des Verbrennungsmotors ausreichend sein. Bei gewissen Motorenkonzepten kann es dennoch zweckmäßig sein, eine vierte Ventilschleife vorzusehen. Jede weitere Ventilschleife erhöht den Strömungswiderstand entgegen der Strömungsrichtung zwar noch, bewirkt aber auch eine Erhöhung des Strömungswiderstands in der eigentlichen Strömungsrichtung im Betrieb der Sekundärluftpumpe. Mit vier Ventilschleifen kann ein günstiger Kompromiss erzielt werden.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass drei diodische Ventilschleifen an einer Außenseite eines Bogenabschnitts, den die Sekundärluftleitung zwischen einer Sekundärluftpumpe und dem Abgastrakt beschreibt, angeordnet sind und wobei eine vierte diodische Ventilschleife an einer Innenseite des Bogenabschnitts angeordnet ist. Die in eine Richtung dämpfende Wirkung dieser vierten Ventilschleife kann dadurch erhöht werden, dass die vierte „gegenüberliegend“ von den ersten drei Ventilschleifen an der Sekundärluftleitung angeordnet ist, also auf der anderen Seite der Hauptleitung. Dabei ist auch die vierte Hauptströmungsachse winkelig gegenüber der dritten Hauptströmungsachse angeordnet, aber umgekehrt orientiert. D.h. die ersten drei Hauptströmungsachsen sind gegeneinander jeweils im Uhrzeigersinn winkelig versetzt und die vierte Hauptströmungsachse ist gegenüber der dritten Hauptströmungsachse entgegen dem Uhrzeigersinn winkelig angeordnet. Die ersten drei Hauptströmungsachsen beschreiben einen Bogenabschnitt. Unter einem Bogenabschnitt wird ein Leitungsabschnitt verstanden, der eine 30° bis 120° Kurve in einer Ebene beschreibt. Der Effekt der vierten Ventilschleife kann wie gesagt dadurch erhöht werden, dass diese versetzt an der Sekundärluftleitung angeordnet ist.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die auf der Innenseite des Bogenabschnitts angeordnete vierte diodische Ventilschleife an einem Kurvenabschnitt angeordnet ist, wobei ein Verlauf des Kurvenabschnitts entgegengesetzt zu einem Verlauf des Bogenabschnitts gekrümmt ist.

In einer Ausgestaltung sind die Ventilschleifen in einer Ebene angeordnet. Die Sekundärluftleitung ist in der Regel aus einem flexiblen Material, insbesondere aus Kunststoff gebildet. Die Ventilschleifen liegen in einer Ebene, wenn die Sekundärluftleitung auf einer Fläche liegt. In einer betriebsbereiten Einbaulage kann die Sekundärluftleitung um Bauteile wie Radkästen und dergleichen herum gelegt sein und alleine deshalb gekrümmt sein, weil ein Ausgangsanschluss der Sekundärluftpumpe versetzt zu einem Einlassanschluss des Abgastrakts liegt.

In einer Anwendung der Sekundärluftleitung ist vorgesehen, dass der Abschnitt, in den die Sekundärluftleitung mündet, in Strömungsrichtung von Abgas aus dem Verbrennungsmotor aus betrachtet stromaufwärts von einem Turbolader angeordnet ist. Dadurch, dass die Sekundärluftleitung stromaufwärts von dem Turbolader in den Abgastrakt mündet, wird eine in den Turbolader eingeleitete Energiemenge (Wärme und Impuls) potentiell erhöht, da die Sekundärluftleitung mit diodischen Ventilschleifen eine geringere Neigung zur Absorption von kinetischer Energie im Abgas aufweist als eine Sekundärluftleitung ohne diodische Ventilschleifen. Dementsprechend steigt die Energiemenge, die an der Turbine aufgenommen und an einen Verdichter abgegeben werden kann.

Der Abgastrakt verbindet einen Auslass eines Verbrennungsmotors fluidleitend mit der Umgebung. In dem Abgastrakt können Ventile, Umleitungen, Kühler, Oxidationskatalysatoren, Turbinen, 3- Wegekatalysatoren, Wastegates, SCR Katalysatoren, AGR Komponenten und dergleichen angeordnet sein. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Ottomotor handeln, bei dem während der Aufwärmphase zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, wobei durch Einblasen von Sekundärluft in den Abgastrakt ein stöchiometrisches Verhältnis am 3-Wegekatalysator hergestellt wird.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:

Fig. 1 : schematisiert eine Ebene eines Abschnitts eines Abgastrakts, in den eine Sekundärluftleitung mit Ventilschleifen mündet; Fig. 2: schematisiert eine Ebene eines Abschnitts eines Abgastrakts, in den eine Sekundärluftleitung mit Ventilschleifen mündet, mit einer Sekundärluftpumpe, die durch die Sekundärluftleitung ein Gas, insbesondere Luft aus der Umgebung, in den Abgastrakt leitet, wobei stromabwärts von einer Position, an der die Sekundärluftleitung in den Abgastrakt mündet, ein Katalysator angeordnet ist;

Fig. 3: schematisiert eine Ebene eines Abschnitts eines Abgastrakts, in den eine Sekundärluftleitung mit Ventilschleifen mündet, mit einer Sekundärluftpumpe, die durch die Sekundärluftleitung ein Gas, zumeist Luft aus der Umgebung, in den Abgastrakt leitet, wobei stromabwärts von einer Position, an der die Sekundärluftleitung in den Abgastrakt mündet, eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist; und

Fig. 4: einen Vergleich eines Drehmomentverlaufs eines Verbrennungsmotors mit Sekundärluftleitung mit diodischen Ventilschleifen und ohne diodische Ventilschleifen.

Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt zum Teil schematisiert eine Sekundärluftleitung 10 für einen Abschnitt 13 eines Abgastrakts 17 eines in Figur 1 nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Vorgesehen ist eine Hauptleitung 14 mit einer ersten, zweiten und dritten Hauptströmungsachse 151 , 152, 153 und drei diodische Ventilschleifen 16, die einen Zulauf 11 aufweisen, sowie einen um einen Ausgangswinkel W12 geneigten Ablauf 12. Die Hauptleitung 14 kann einen runden Querschnitt Q14 aufweisen mit Öffnungen, an denen die Ventilschleifen 16 angeordnet sind. Ein Querschnitt Q16 der Ventilschleifen entspricht bevorzug zum mindestens 90% dem Querschnitt Q14 der Hauptleitung 14.

An jedem Zulauf 11 schneiden sich die Hauptströmungsachsen 151 , 152, 153. Der Zulauf 11 erstreckt sich jeweils in Richtung der Hauptströmungsachsen 151 , 152, 153, 154. Insofern werden die Hauptströmungsachsen 151 , 152, 153, 154 bei Eintritt in die Ventilschleifen 16 zunächst fortgesetzt. Dabei sind der Zulauf 11 und der Ablauf 12 innerhalb der diodischen Ventilschleife 16 fluidleitend miteinander verbunden. Ein die Ventilschleifen durchströmendes Fluid wird um eine Kurve von ca. 180° umgelenkt. Hierbei erfährt das Fluid einen Impulsverlust. Deshalb ist ein Strömungswiderstand von dem Abgastrakt 17 zu der Sekundärluftpumpe 23 (siehe Figur 2) größer als in entgegengesetzter Richtung.

Es sind wie gesagt in dem ersten Ausführungsbeispiel, das mit dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, drei diodische Ventilschleifen 16 vorgesehen. Diese sind an einem Bogenabschnitt 22 angeordnet. Hierdurch wird Abgas, das von dem Abgastrakt 17 in die Sekundärluftleitung 10 strömt, ein größerer Strömungswiderstand entgegengesetzt als bei einer geraden Hauptleitung, das Abgas entsprechend seiner Massenträgheit eher in die Ventilschleifen 16 drängt und mit der Richtungsumkehr um die Kurve ein Impulsverlust verbunden ist. An jeder Ventilschleife 16 beschreibt die Sekundärluftleitung 10 eine Kurve um einen flachen Winkel zwischen 10° und 40°.

Figur 2 zeigt zum Teil schematisiert ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sekundärluftleitung 10 für einen Abschnitt 13 eines Abgastrakts eines Verbrennungsmotors 19. Vorgesehen ist auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Hauptleitung 14 mit einer Hauptströmungsachse 15 und mindestens eine diodische Ventilschleife 16, die einen Zulauf 11 aufweist sowie einen um einen Ausgangswinkel W12 geneigten Ablauf 12. Der Zulauf 11 und der Ablauf 12 sind innerhalb der diodische Ventilschleife 16 fluidleitend miteinander verbunden. Der Zulauf 11 ist fluidleitend aus der Hauptleitung 14 abgezweigt und der Ablauf 12 mündet fluidleitend in die Hauptleitung 14 zurück.

Wie auch im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, sind an dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel außen an dem Bogenabschnitt drei Ventilschleifen 16 vorgesehen. Ferner ist gegenüberliegend eine weitere Ventilschleife 161 vorgesehen. Diese ist auf der gegenüberliegenden Seite der Hauptleitung 14 angeordnet. Beispielhaft ist stromabwärts von dem Abschnitt des Abgastrakts 17 ein Katalysator 27 angeordnet.

In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel gilt das im Zusammenhang mit den Figuren 1 gesagte. Wo zutreffend, speziell in Bezug auf die vierte Ventilschleife 161 , gilt auch das im Zusammenhang mit Figur 2 gesagte. Es sind also an dem Bogenabschnitt 22 im dritten Ausführungsbeispiel drei Ventilschleifen 16 am Außenumfang des Bogenabschnitts 22 vorgesehen und eine Ventilschleife 161 innen am Bogenabschnitt 22. Ein nicht dargestellter Katalysator kann in dem dritten Ausführungsbeispiel stromabwärts von dem Turbolader 20 angeordnet sein.

Die Sekundärluftleitung 10 mündet in Strömungsrichtung 18 von Abgas aus dem Verbrennungsmotor 19 aus betrachtet stromaufwärts von einem Turbolader 20 in den Abgastrakt 17.

Die Hauptleitung 14 ist der Teil der Sekundärluftleitung 10, der für eine fluidleitende Verbindung zwischen der Sekundärluftpumpe 23 und dem Abgastrakt 17 sorgt. Luft strömt mit einem geringen Strömungswiderstand von der Sekundärluftpumpe zu dem Abgastrakt 17 und mit einem höheren Strömungswiderstand von dem Abgastrakt 17 zu der Sekundärluftpumpe 23. Wird keine Luft von der Sekundärluftpumpe 23 gefördert, kann nicht viel Abgas in die Sekundärluftleitung 10 gelangen, da in dieser Richtung der Strömungswiderstand höher ist. Zudem werden Schwingungen in der Sekundärluftleitung 10 rasch abgebaut, da der erhöhte Strömungswiderstand dämpfend wirkt. Hierdurch wird auch eine Wärmemenge im Abgastrakt 17 erhalten, so dass die Energie, die im Turbolader 20 in Ladedruck umgewandelt werden kann, entsprechend höher ausfällt.

Weiterhin ist dargestellt, dass die auf der Innenseite 24 des Bogenabschnitts 22 angeordnete diodische Ventilschleife 161 an einem Kurvenabschnitt 25 angeordnet ist, wobei ein Verlauf des Kurvenabschnitts 25 entgegengesetzt zu dem Bogenabschnitt 22 verläuft. Die Ventilschleifen 16 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ebene 26 angeordnet, bauraumbedingt können sich in der betriebsbereiten Einbaulage Abweichungen hiervon ergeben.

Figur 4 zeigt vergleichend dynamische Verläufe eines Drehmoments über einer Zeit t als Sprungantwort eines Verbrennungsmotors auf einen plötzlichen Sollwertanstieg. Eine Verlauf 162 wurde bei einen Verbrennungsmotor mit diodischen Ventilschleifen gemäß den Figuren 1 bis 3 gemessen. Ein anderer Verlauf 163 wurde an einem Verbrennungsmotor ohne diodische Ventilschleifen aufgezeichnet. Man erkennt, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors mit diodischen Ventilschleifen entsprechend dem Verlauf 162 nach einiger Zeit deutlich höher ist als das Drehmoment des Verbrennungsmotors ohne diodische Ventilschleifen.

Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen. Bezugszeichenliste:

10 Sekundärluftleitung

11 Zulauf

12 Ablauf

13 Abschnitt

14 Hauptleitung

151 Hauptströmungsachse

152 Hauptströmungsachse

153 Hauptströmungsachse

154 Hauptströmungsachse

16 Ventilschleife

17 Abgastrakt

19 Verbrennungsmotor

20 Turbolader

21 Außenseite

22 Bogenabschnitt

23 Sekundärluftpumpe

24 Innenseite

25 Kurvenabschnitt

26 Ebene

27 Katalysator

161 Ventilschleife

162 Verlauf

163 Verlauf Q14 Querschnitt

Q16 Querschnitt t Zeit

M Verbrennungsmotor

W12 Winkel

W151 Winkel

W152 Winkel

W153 Winkel