Die Erfindung betrifft ein Sekundärluftsystem für eine Brennkraftmaschine. Es ist bekannt, zur Verbesserung der Aufoxydation der Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide sogenannte Sekundärluft, das heißt, zusätzliche Luft auf der Abgasseite der Brennkraftmaschine einzublasen.

Die DE-A-4219267 beschreibt ein System zur Sekundärlufteinblasung für Brennkraft¬ maschinen, bei dem ein Verdichter von einer als Motor wirkenden Strömungsmaschine angetrieben wird. Die Strömungsmaschine ist parallel zu einem Leitungsabschnitt mit einer Drossel geschaltet, wobei der Leitungsabschnittstromauf eines Drosselstutzens zur Leistungssteuerung angeordnet ist. Die angesaugte Luftmenge wird durch ein Umschaltventil, entweder über die Drossel oder über die Strömungsmaschine geführt.

Ein Nachteil bei dem bekannten System besteht darin, daß durch die zusätzliche Drossel die dem Motor zugeführte Ansaugluft reduziert wird. Außerdem besteht im Ansaugluftstrang ein weiteres Element, das in Abhängigkeit von dem Lastzustand des Motors geregelt werden muß.

Es ist auch bekannt, zur Sekundärlufteinblasung bei Brennkraftmaschinen eine Membranpumpe zu verwenden. Nachteilig bei diesem System ist die erforderliche Anordnung eines Druckspeichers, der damit die Wirtschaftlichkeit des Systems beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Systeme zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß nicht ein zusätzliches Drosselsystem für den Antrieb einer Turbine erforderlich ist, sondern bereits vorhandene, ungenutzte Energie zum Antrieb der Turbine genutzt wird.

BESTÄTIGUNGSKGPIE

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Turbine welche von der Ansaugluft beaufschlagt ist, als Antrieb zu nutzen. Dabei kann das Druckgefälle zwischen dem Druck der Ansaugluft der Brennkraftmaschine vor deren Drosselklappe und der Druck der Ansaugluft nach der Drosselklappe derart genutzt werden, daß die Turbine in einer Bypass-Leitung, welche um die Drosselklappe herumführt, angeordnet ist. Diese Turbine treibt unmittelbar eine Fördeφumpe für die Sekundärluft an. Die Sekundärluft kann gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch von einem Elektromotor als Förderpumpe erzeugt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, gefilterte Ansaugluft für die Sekundärlufteinblasung zu benutzen. Dies hat den Vorteil, daß der Verschmutzungsgrad des Antriebs der Sekundärluft verringert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Aufbereitungseinrichtung für die Sekundärluft vorzusehen. Dieses ist zum Beispiel ein zusätzliches Filterelement, welches auf die Bedürfnisse der Pumpe abgestimmt ist. Die Reinluft zum Antrieb der Turbine des Sekundärluftladers kühlt sich bei der Expansion in der Turbine sehr stark ab. Infolgedessen könnte Wasser aus der Ansaugluft auskondensieren oder eventuell gefrieren.

Zur Vermeidung der Ansammlung von Feuchtigkeit wird in einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, einen Wasserabscheider zum Beispiel eine Prallplatte oder ein Vlies auf der Niederdruckseite der Turbine in die Zuleitung der expandierten Luft zum Plenum einzubauen. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Eisabscheider in der Form einer Prallplatte oder eines Vlieses auf der Niederdruckseite der Turbine vorzusehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Sekundärluftlader mit dem Motorsaugrohr zu einer Einheit zu montieren. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, den Sekundärluftlader mit dem Drosselklappenstutzen in einem Modul zu integrieren. Weitere Varianten sind die Integration des Sekundärluftladers in dem Reinluftrohr, in dem Luftfiltergehäuse oder in der Zylinderkopfabdeckung des Motors.

Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Sekundärluftlader mit einem anderen beliebigen Bauteil zu einer Einheit zu montieren bzw. als Modul zu gestalten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, sowohl die Motorleistung als auch die Sekundärluftladerleistung über den dem Sekundärluftlader zugeführten Luftmassenstrom zu regeln. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, zur Regelung der Motor¬ bzw, der Sekundärluftladerleistung den Strömungsquerschnitt für den Massenstrom in einzelne zu-und abschaltbare Querschnitte zu unterteilen. Die Turbine kann in vorteilhafter Weise in Kunststoffmontagespritzgießtechnik hergestellt werden. Dies bedeutet, daß sämtliche Teile oder eine große Anzahl der Teile in einem einzigen Werkzeug nacheinander spritztechnisch hergestellt werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, zum Beispiel das Turbinengehäuse aus einem metallischen Werkstoff herzustellen und die bevorzugt verstellbaren Leitschaufeln sowie den Verstellmechanismus in Kunststoffspritzgießtechnik zu produzieren. Denkbar ist auch die Herstellung der Turbine im Kernausschmelzverfahren.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unter¬ kombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 ein System zur Sekundärlufteinblasung

Figur 2 eine Prinzipskizze eines Sekundärluftsystems mit elektrischer

Sekundärluftpumpe

Figur 3 eine Prinzipskizze eines Sekundärluftsystems mit Sekundärluftlader

Figuren 4-1 1 schematische Darstellungen eines Sekundärluftsystems in verschiedenen Varianten

Figur 12 eine Ansicht einer Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln

Figur 13 eine Turbine in einer Querschnittsdarstellung

Figur 14 eine Turbine mit veränderbarem Eintrittsquerschnitt

Das System der Sekundärlufteinblasung gemäß Figur 1 zeigt eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine, an welcher reinluftseitig ein Ansaugrohr 11 vorgesehen ist, über die die gereinigte Ansaugluft der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Ausgangsseitig ist ein Auspuffkrümmer 12 mit Lambdasonden 20 bestückt. Es ist ferner eine elektrische Sekundär¬ luftpumpe 21 vorgesehen. Diese Luftpumpe wird über ein elektronisches Steuergerät 22 und ein Relais 23 gesteuert. Der elektrischen Sekundärluftpumpe wird Reinluft über die Leitung 13 und ein Schaltventil 24 zugeführt. Diese Reinluft wird verdichtet und über die Leitung 14 an die Einblasstelle 15 geführt. Dort wird diese Reinluft mit dem Abgas vermischt und erzeugt damit eine Aufoxydation der Kohlenwasserstoffe.

Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung mit einer elektrischen Sekundärluftpumpe. Wie daraus zu entnehmen ist, wird die Reinluft über die Leitung 13 nach dem Luftfilter 25 für die Ansaugluft abgezweigt, der Pumpe 26, welche über den Elektromotor 27 angetrieben wird, zugeführt und von dort über Leitung 14 zu den entsprechenden Einblasstellen 27, 28, 29, 30 an der Abgasseite 31 der Brennkraftmaschine 32 gefordert. Der Ansaugstrang der Brenn¬ kraftmaschine 32 besteht aus dem Luftfilter 25, einer Drosselklappe 33, sowie einem Ansaugrohrsystem 34.

Figur 3 zeigt eine Variante eines Sekundärluftsystem mit einem Sekundärluftlader. Die aus Figur 2 entnommenen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auch hier wird die Reinluft über die Leitung 13 an die Pumpe bzw. an den Verdichter 26 geführt. Der Verdichter 26 wird mittels einer Turbine 35, die Turbine mittels Ansaugluft gespeist, wobei der Druckunterschied zwischen dem Druck vor der Drosselklappe 33 und dem Saugrohr¬ unterdruck nach der Drosselklappe 33 genutzt wird.

In das Luftversorgungssystem für die Turbine 35 kann selbstverständlich ein Sicherheitsventil 36 oder ein Abschaltventil integriert sein. Auch hier ist eine elektrische Ansteuerung der Ventile möglich, um bei bestimmten Betriebsbedingungen des Motors die Zuführung von Sekundärluft zu sperren.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Turbine mittels Flüssigkeit, wie Wasser oder Öl, anzutreiben. Hierzu wird in geeigneter Weise der Wasserkreislauf bzw. der Ölkreislauf der Brennkraftmaschine genutzt.

Die schematische Darstellung gemäß Figur 4 zeigt die Zuführung von Sekundärluft für eine Brennkraftmaschine 1 10. Die Sekundärluft wird über die Leitung 1 1 1 den Abgasrohren 1 12 zugeführt. Die Erzeugung der Sekundärluft erfolgt mittels eines Verdichters 1 13, welcher von einer Turbine 114 angetrieben wird. Diese Turbine nutzt den Massestrom der der Brennkraftmaschine 1 10 zugeführten Frischluft. Hierzu ist über ein Ventil 1 16 ein Bypass zu einer Drosselstelle 115 vorgesehen. Die Strömungsenergie der durch den Bypass strömenden Luft treibt die Turbine 114 und damit die Pumpe 1 13 an. Die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft wird mittels einer Filtereinrichtung 117 gereinigt.

Während in Figur 4 die Sekundärluft dem Reinluftstrom entnommen wird, zeigt Figur 5 die Entnahme der Sekundärluft unmittelbar aus dem Luftfilter 1 17. Die Symbolik entspricht derjenigen der Figur 4.

Der weitere Aufbau gemäß Figur 5 ist mit dem Aufbau in Figur 4 identisch.

Figur 6 zeigt die Zuführung der Sekundärluft über ein zusätzliches Filterelement 1 18. Dies hat den Vorteil, daß ein auf die Bedürfhisse der Pumpe und der Zuführung der Sekundärluft bestimmtes Filter verwendet werden kann.

In einer weiteren Variante gemäß Figur 7 wird vorgeschlagen, sowohl die Motorleistung als auch die Sekundärluftladerleistung über den dem Sekundärluftlader zugeführten Luftmassenstrom zu regeln. Dazu ist wie in Figur 7 gezeigt, vor dem Sekundärluftlader (Turbine 114) ein Ventil 1 16 vorgesehen. Ebenso besteht auch die Möglichkeit, ein Ventil 1 19 ausgangssei tig der Turbine 1 14 anzuordnen.

Im geöffneten Zustand der Ventile, oder eines Ventils, erfolgt die Leistungsregelung der Brennkraftmaschine über die Drosselstelle 115. Die Leistung des Sekundärluftladers bzw. der Turbine 1 14 stellt sich als Folge der Massenstromverteilung ein. Ein Absperrorgan in der Zuleitung zur Turbine, also das Ventil 1 16 oder das Ventil 1 19, kann auch Zwischenstellungen annehmen und daher zur Regelung bzw. Steuerung eingesetzt werden.

Figur 8 zeigt Drosselstellen 120, 121, welche den Querschnitt der jeweiligen Leitung verändern. Selbstverständlich genügt auch eine einzige Drosselstelle. Diese kann sowohl auf der Hochdruck- als auch auf der Niederdruckseite der Turbine 1 14 angeordnet sein. Die Regelung der Motor- und Sekundärluftladerleistung erfolgt im Zusammenspiel der beiden Drosseleinrichtungen, d. h. der Drosselstelle 1 15 und der Drosselstelle 120 bzw. 121.

Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der Motor- bzw. der Sekundärluftladerleistung besteht darin, daß der Strömungsquerschnitt für den Massenstrom der Turbine 1 14 durch eine Registerschaltung von einzelnen Querschnitten abstufbar ist.

Gemäß Figur 1 1 ist eine Parallelschaltung zweier Zuleitungen möglich. Beide Zuleitungen sind jeweils mit einem Ventil 122, 123 ausgestattet. Während gemäß Figur 9 die Zusammenführung der beiden Leitungen vor der Turbine erfolgt, besteht auch die Möglichkeit, gemäß Figur 10 die beiden Zuführleitungen unmittelbar an die Turbine 1 14 heranzuführen und damit diese Turbine an unterschiedlichen Stellen mit dem entsprechenden Massenstrom zu beaufschlagen.

Figur 9 zeigt eine regelbare Turbine 124, in einer schematischen Darstellung. Eine solche Turbine weist zum Beispiel, wie in Figur 12 gezeigt, eine Turbinengeometrie mit verstellbaren Leitschaufeln 125 auf. Diese Turbine hat einen bestimmten Eintrittsquerschnitt 126, sowie das Turbinenrad 127. Je nach Stellung der Leitschaufeln 125, kann die Drehzahl des Turbinenrads 127 variiert werden.

Figur 13 zeigt einen einfachen Aufbau einer Turbine 128 mit einem Turbinenrad 129 und einem Turbinengehäuse 130 mit einer gekoppelten Pumpe 131. Die rechtsseitig angeordnete Turbine weist Leitschaufeln 132 auf, die beispielsweise im Montagespritzgießverfahren hergestellt sind. Das Gehäuse 130 der Turbine ist über ein Spannband 133 mit einem mittleren

Trägerteil 134 verbunden. Linksseitig ist die Pumpe 135 angeordnet, wobei Pumpendeckel 136 und Trägerteil 134 einteilig gestaltet sind.

Das Turbinenrad 129 und das Pumpenrad 137 sind auf einer gemeinsamen Welle 138 befestigt, die Welle ist in dem Trägerteil 134 über die Lagerstellen 139, 140 positioniert.

Figur 14 zeigt einen Eintrittsquerschnitt 143 für eine Turbine 141, welcher durch einen axial verschiebbaren Konus 142 verändert werden kann. Das Ziel eines solchen axial verschiebbaren Konusses 142 besteht darin, eine Drosselung zu vermeiden. Die im verengten Querschnitt erhöhte kinetische Energie soll weitestgehend erhalten bleiben, damit sie im Turbinenrad 144 genutzt werden kann. Die Gehäusekontur und die Konusgeometrie sind dabei so ausgestaltet, daß bei einer Verringerung des Strömungsquerschnittes durch eine Verstellung des Konusses 142 keine Querschnittssprünge stattfinden. Der Konus 142 kann selbstverständlich auch zum Absperren des Luftstroms und damit zum Abschalten des Sekundärluftladers genutzt werden.