EP1489292A1 - Brennkraftmaschine mit Adsorptions-/Absorptionselement - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Adsorptions-/Absorptionselement Download PDF

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EP1489292A1
EP1489292A1 EP04013980A EP04013980A EP1489292A1 EP 1489292 A1 EP1489292 A1 EP 1489292A1 EP 04013980 A EP04013980 A EP 04013980A EP 04013980 A EP04013980 A EP 04013980A EP 1489292 A1 EP1489292 A1 EP 1489292A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
outlet channel
adsorption
fuel
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Withdrawn
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EP04013980A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Karl Weining
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F02F1/4271—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels with an exhaust liner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02—Surface coverings of combustion-gas-swept parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine for a Motor vehicle with a combustion chamber, the an inlet channel to Supply of fuel gas, an outlet channel for the removal of Combustion products and a fuel supply unit associated with the supply of liquid fuel.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine for a Motor vehicle with reduced hydrocarbon emissions, in particular the lowest possible cold start emissions provide.
  • the internal combustion engine according to the invention is characterized by a disposed in the outlet channel adsorption and / or Absorption element for intermediate storage of unburned or partially combusted fuel.
  • adsorption and / or Absorption element takes on liquid or gaseous Fuel on, which is mainly in the first seconds of High and warm running of an internal combustion engine unburned or partially burned out of the combustion chamber is ejected.
  • Fuel is at the adsorption and / or absorption element stored or stored. Due to the rapid heating of the Outlet channels is a desorption of fuel at Temperatures that are a reliable afterburning of the desorbed fuel in the exhaust tract ensure.
  • Particularly preferable is the proposed arrangement in Connection with a downstream oxidation and / or Reduction catalyst.
  • a Surface designed with a high roughness is at the outlet channel a Surface designed with a high roughness.
  • a zone with reduced flow velocity in particular a gap and / or a Totwasser.
  • a zone serves with its (enlarged) surface as Adsorption element, in particular for liquid droplets.
  • Adsorption element in particular for liquid droplets.
  • the exhaust gas flow swirled is the exhaust gas flow swirled.
  • adsorption and / or Absorbent layer arranged to receive fuel is in the outlet channel, preferably in the intermediate space an adsorption and / or Absorbent layer arranged to receive fuel is.
  • the adsorption and / or absorption layer is made of a suitable for adsorption and / or absorption of Fuel droplets or molecules serving material produced.
  • Flow guiding elements and / or turbulence promoters are on the insert element Flow guiding elements and / or turbulence promoters arranged.
  • Such elements can Totwasser Thee or Create areas with strong turbulent flow.
  • Flow guiding elements and / or turbulence promoters can be the exhaust gas flow from the combustion chamber at least partially divert into a Totwasser.
  • a Flow guide exhaust gas behind the insert element be redirected.
  • An internal combustion engine 1 according to the invention for a motor vehicle has a cylinder head 1a, which together with a movable piston for limiting a preferably cylindrical combustion chamber 2 in an engine block of the internal combustion engine serves.
  • Fuel is preferably at ambient conditions liquid hydrocarbons, e.g. Gasoline or diesel fuel used.
  • FIG. 1 shows a section through the cylinder head 1a. in a direction parallel to the longitudinal axis of the Outlet duct 3 runs.
  • FIG. 1 shows a section through the cylinder head 1a. in a direction parallel to the longitudinal axis of the Outlet duct 3 runs.
  • FIG. 1 shows a section through the cylinder head 1a. in a direction parallel to the longitudinal axis of the Outlet duct 3 runs.
  • FIG. 1 shows a section through the cylinder head 1a. in a direction parallel to the longitudinal axis of the Outlet duct 3 runs.
  • an adsorption and / or Absorbent element is a particular adsorptive acting Surface 4 with a high roughness, especially with a provided microscopic surface structure.
  • Such Surface can be adjusted by means of a corresponding coarse-grained G mankerns when casting the cylinder head 1a very easy and without additional effort compared to previous production methods produce.
  • the roughness, the location and the extension of the surface 4 to the size and the icorungs of at a cold start operation of the internal combustion engine from the combustion chamber ejected fuel droplets customized.
  • an adsorption and / or Absorption element is a gap, a corrugation or a provided similar macroscopic surface structure, the in principle, how the surface 4 with high roughness acts.
  • an insert element 6 in the Outlet channel 3 is inserted.
  • the insert element 6 is a dimensionally stable, sleeve adapted to the contour of the outlet channel 3 designed, preferably over its entire surface having distributed perforations 6a.
  • Between insert element 6 and the cast exhaust passage 3 in the cylinder head 1a is a Intermediate space 7 formed over the perforations 6a in Connection is made with the inner region 10 of the insert element.
  • the insert element 6 as insulation or shield for the cooled space 7 acts.
  • the interspace 7 thus arise with areas reduced flow velocity and possibly also dead water areas, in which liquid fuel, which from the Exhaust gas flow, preferably via the perforations 6a in reaches the gap, be deposited and unvaporized can persist.
  • Flow guide elements 9 are preferably for deflecting the Exhaust gas flow from the inner region 10 into the intermediate space 7 provided, therefore cooperate the flow guide 9 preferably with perforations 6a.
  • You can, for example be designed hat-shaped (see Fig. 2). Complementary or Alternatively, on an insert element 6 on the for Interior 10 side facing out and / or on the Kurs Gap 7 side facing turbulence promoters or Strömungsumsch with pronounced Totwasser is proposed on the insert element 6 on the interior 10 aligned side flow guide 9 provide.
  • Flow guide elements 9 are preferably for deflecting the Exhaust gas flow from the inner region 10 into the intermediate space 7 provided, therefore cooperate the flow guide 9 preferably with perforations 6a.
  • Adsorption and / or absorption element is an insert. 8 from a fuel adsorbing or absorbing Material provided.
  • adsorption and Absorption properties are used.
  • Ceramics, zeolites, activated carbon and plastic or Metal foams are used.
  • Such deposits are preferably dimensionally stable and / or as a filling for a Gap 7 is formed.
  • the proposed measures can be partially or unburned from a combustion chamber of the internal combustion engine ejected fuel components directly in or on Cylinder head bind, recondens, adsorb and / or even absorb. Although there may be only brief Storage times, however, these can be designed longer than to heat the exhaust duct at this point required time. Thus, fuel emissions - especially when cold starting the engine in Cylinder head or in its vicinity at least temporarily bound and subsequently released at a temperature suitable for complete and rapid (after) combustion of the fuel is sufficient. Thus, an internal combustion engine with with regard to fuel or hydrocarbon emissions provided significantly improved cold start behavior.

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Abstract

2.1. Es wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem Brennraum (2), dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind. 2.2. Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine in dem Auslasskanal (3) ein Adsorptions- und/oder ein Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff angeordnet. Insbesondere sind im Auslasskanal ein perforiertes Einsatzelement und/oder eine Adsorptions- und/oder Absorptionslage vorgesehen. 2.3. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennraum, dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas, ein Auslasskanal zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind.
Beim Kaltstart im Abgas einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine vorhandene Kraftstoffbestandteile (Kohlenwasserstoffe) werden üblicherweise in Adsorberkatalysatoren gespeichert, die in einem gewissen Abstand vom Abgasauslass der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Bis in einem derartigen Katalysator eine ausreichend höhe Temperatur zur Nachverbrennung der gespeicherten Kohlenwasserstoffe erreicht ist, verdampft ein nennenswerter Anteil der gespeicherten Kohlenwasserstoffe und wird unverbrannt oder teilverbrannt aus dem Abgassystem des Kraftfahrzeuges entlassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit reduzierten Kohlenwasserstoffemissionen, insbesondere möglichst geringen Kaltstartemissionen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich aus durch ein in dem Auslasskanal angeordnetes Adsorptions- und/oder Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff. Ein derartiges Adsorptionsund/oder Absorptionselement nimmt flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff auf, der hauptsächlich in den ersten Sekunden des Hoch- und Warmlaufs einer Brennkraftmaschine unverbrannt oder teilverbrannt aus dem Brennraum ausgestoßen wird. Der Kraftstoff wird an dem Adsorptions- und/oder Absorptionselement angelagert bzw. eingelagert. Durch die rasche Erhitzung des Auslasskanals erfolgt eine Desorption von Kraftstoff bei Temperaturen, die eine zuverlässige Nachverbrennung des desorbierten Kraftstoffes im Abgastrakt sicherstellen. Besonders zu bevorzugen ist die vorgeschlagene Anordnung in Verbindung mit einem nachgeschalteten Oxidations- und/oder Reduktionskatalysator.
In Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Auslasskanal eine Oberfläche mit einer hohen Rauhigkeit gestaltet. Ein Oberflächenbereich mit einer stark vergrößerten Rauhigkeit, d.h. mit einer stark vergrößerten Oberfläche stellt ein besonders einfach herstellbares Adsorptions-/ Absorptionselement dar. Eine Herstellung erfolgt vorzugsweise durch Verwendung eines Sand-Gießkerns mit grober Körnung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Auslasskanal eine Zone mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere ein Spalt und/oder ein Totwassergebiet gebildet. Eine derartige Zone dient mit ihrer (vergrößerten) Oberfläche als Adsorptionselement insbesondere für Flüssigkeitströpfchen. Vorzugsweise ist in einer derartigen Zone die Abgasströmung verwirbelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in den Auslasskanal ein vorzugsweise perforiertes Einsatzelement eingebracht, hinter dem ein Zwischenraum gebildet ist. Hinter dem Einsatzelement und/oder in den Perforationen des Einsatzelementes können Totwassergebiete gebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Auslasskanal, vorzugsweise in dem Zwischenraum eine Adsorptionsund/oder Absorptionslage zur Aufnahme von Kraftstoff angeordnet ist. Die Adsorptions- und/oder Absorptionslage ist aus einem geeigneten, zur Adsorption und/oder zur Absorption von Kraftstofftröpfchen oder -molekülen dienenden Material hergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an dem Einsatzelement Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet. Derartige Elemente können Totwassergebiete oder Gebiete mit stark verwirbelter Strömung erzeugen. Mittels der Strömungsleitelemente und/oder Turbulenzpromotoren lässt sich der aus dem Brennlaum ausgeschobene Abgasstrom wenigstens teilweise in ein Totwassergebiet umlenken. Insbesondere im Zusammenwirken mit einer Perforation kann mittels eines Strömungsleitelementes Abgas hinter das Einsatzelement umgelenkt werden.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Auslasskanal und
Fig. 2
ein Detail eines erfindungsgemäßen Einsatzelementes.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug weist einen Zylinderkopf 1a auf, der gemeinsam mit einem beweglichen Kolben zur Begrenzung eines vorzugsweise zylindrischen Brennraumes 2 in einem Motorblock der Brennkraftmaschine dient. In dem Zylinderkopf 1a sind ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas in Form von Verbrennungsluft in den Brennraum hinein sowie ein Auslasskanal 3 zur Abfuhr von Vergrennungsprodukten aus dem Brennraum heraus vorgesehen. Ferner ist eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff in den Brennraum 2 vorgesehen; dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Einlasskanal- oder ein Direkteinspritzsystem mit entsprechenden Düsen bzw. Injektoren sowie wenigstens einer Fördereinheit (Kraftstoffpumpe). Als Kraftstoff werden vorzugsweise bei Umgebungsbedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzin oder Dieselkraftstoff verwendet.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 1a dargestellt, der in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslasskanals 3 verläuft. Darin sind schematisch mehrere Ausführungsformen eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes dargestellt.
Als eine erste Variante eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist eine insbesondere adsorptiv wirkende Oberfläche 4 mit einer hohen Rauhigkeit, insbesondere mit einer mikroskopischen Oberflächenstruktur vorgesehen. Eine derartige Oberfläche lässt sich mittels eines entsprechend grobkörnigen Gießkerns beim Gießen des Zylinderkopfes 1a besonders einfach und ohne Zusatzaufwand im Vergleich zu bisherigen Fertigungsmethoden herstellen. Vorzugsweise sind die Rauhigkeit, die Lage und die Ausdehung der Oberfläche 4 an die Größe und das Anlagerungsverhalten von bei einem Kaltstartvorgang der Brennkraftmaschine aus dem Brennraum ausgestoßenen Kraftstofftröpfchen angepasst.
Als eine zweite Variante eines Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist ein Spalt, eine Riffelung oder eine ähnliche makroskopische Oberflächenstruktur vorgesehen, die prinzipiell wie die Oberfläche 4 mit hoher Rauhigkeit wirkt.
Als eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Adsorptionsund/oder Absorptionselementes ist ein Einsatzelement 6 in den Auslasskanal 3 eingesetzt. Das Einsatzelement 6 ist als formstabile, an die Kontur des Auslasskanals 3 angepasste Hülse gestaltet, die vorzugsweise über ihre gesamte Oberfläche verteilte Perforationen 6a aufweist. Zwischen Einsatzelement 6 und dem gegossenen Auslasskanal 3 im Zylinderkopf 1a ist ein Zwischenraum 7 gebildet, der über die Perforationen 6a in Verbindung steht mit dem Innenbereich 10 des Einsatzelements. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ergeben sich zwischen dem gekühlten Zylinderkopf 1a und dem Innenbereich 10 nennenswerte Temperaturdifferenzen, wobei das Einsatzelement 6 als Isolierung bzw. Schutzschild für den gekühlten Zwischenraum 7 fungiert. In dem Zwischenraum 7 ergeben sich somit Bereiche mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit und ggf. auch Totwassergebiete, in denen flüssiger Kraftstoff, welcher aus der Abgasströmung, die vorzugsweise über die Perforationen 6a in den Zwischenraum gelangt, abgeschieden werden und unverdampft verharren kann.
Zur Modifikation dieser Variante wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an dem Einsatzelement 6 auf der zum Innenbereich 10 hin ausgerichteten Seite Strömungsleitelemente 9 vorzusehen. Strömungsleitelemente 9 sind vorzugsweise zur Umlenkung der Abgasströmung vom Innenbereich 10 in den Zwischenraum 7 vorgesehen, daher kooperieren die Strömungsleitelemente 9 vorzugsweise mit Perforationen 6a. Sie können beispielsweise hutzenförmig ausgestaltet sein (vgl. Fig. 2). Ergänzend oder alternativ sind an einem Einsatzelement 6 auf der zum Innenbereich 10 hin ausgerichteten Seite und/oder auf der zum Zwischenraum 7 hin ausgerichteten Seite Turbulenzpromotoren bzw. Strömungsumlenkmittel mit ausgeprägtem Totwassergebiet vorgesehen.
Als eine weitere Variante eines besonders wirksamen Adsorptions- und/oder Absorptionselementes ist eine Einlage 8 aus einem kraftstoff-adsorbierenden bzw. -absorbierenden Material vorgesehen. In Abhängigkeit von der Art des Kraftstoffes können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Oberflächen-, Adsorptions- und Absorptionseigenschaften zur Anwendung kommen. Vorzugsweise kommen Keramiken, Zeolithe, Aktivkohle und Kunststoff- oder Metallschäume zur Anwendung. Derartige Einlagen sind vorzugsweise formstabil und/oder als Füllung für einen Zwischenraum 7 ausgebildet.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich teil- oder unverbrannt aus einem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgestoßene Kraftstoffbestandteile direkt im bzw. am Zylinderkopf binden, rekondensieren, adsorbieren und/oder sogar absorbieren. Zwar ergeben sich unter Umständen nur kurze Speicherzeiten, jedoch können diese länger konzipiert sein als die zur Aufheizung des Auslasskanals an dieser Stelle erforderliche Zeit. Somit werden Kraftstoffemissionen - insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine im Zylinderkopf bzw. in dessen Nähe wenigstens kurzzeitig gebunden und nachfolgend bei einer Temperatur freigegeben, die zur vollständigen und raschen (Nach)Verbrennung des Kraftstoffes ausreichend ist. Somit ist eine Brennkraftmaschine mit hinsichtlich Kraftstoff- bzw. Kohlenwasserstoffemissionen nennenswert verbessertem Kaltstartverhalten bereitgestellt.

Claims (6)

  1. Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit
    einem Brennraum (2), dem ein Einlasskanal zur Zufuhr von Brenngas,
    ein Auslasskanal (3) zur Abfuhr von Verbrennungsprodukten sowie
    eine Kraftstoffversorgungseinheit zur Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zugeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Auslasskanal (3) ein Adsorptions- und/oder ein Absorptionselement zur Zwischenspeicherung von unverbranntem oder teilverbranntem Kraftstoff angeordnet ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an dem Auslasskanal (3) eine Oberfläche mit einer hohen Rauhigkeit gestaltet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Auslasskanal (3) eine Zone mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere ein Spalt und/oder ein Totwassergebiet gebildet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in den Auslasskanal (3) ein vorzugsweise perforiertes Einsatzelement (6) eingebracht ist, hinter dem ein Zwischenraum (7) gebildet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Auslasskanal (3), vorzugsweise in dem Zwischenraum (7) eine Adsorptions- und/oder Absorptionslage (8) zur Aufnahme von Kraftstoff angeordnet ist.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an dem Einsatzelement (6) Strömungsleitelemente (9) und/oder Turbulenzpromotoren angeordnet sind.
EP04013980A 2003-06-18 2004-06-15 Brennkraftmaschine mit Adsorptions-/Absorptionselement Withdrawn EP1489292A1 (de)

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