AT501202B1

AT501202B1 - Viertakt-brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT501202B1
Application number: AT0004305A
Authority: AT
Inventors: Franz Dr Laimboeck
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-11-15
Also published as: AT501202A1

Description

2 AT 501 202 B1

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen und einem Einlassströmungsweg mit zumindest zwei zu den Einlassventilen führenden Einlasskanälen pro Zylinder, von denen zumindest ein Einlasskanal als Ladungsbewegungskanal und zumindest ein Einlasskanal als Füllkanal ausgeführt ist, wobei der Einlassströmungsweg mit 5 einem für beide Einlasskanäle gemeinsamen Vergaser verbunden ist und die Einlasskanäle stromabwärts des Vergasers durch eine Kanaltrennwand getrennt sind, wobei die Einlasskanäle auch stromaufwärts des Vergasers durch die Kanaltrennwand getrennt sind.

Eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen und einem Einlassströmungsweg io mit zumindest zwei zu den Einlassventilen führenden Einlasskanälen pro Zylinder, von denen zumindest ein Einlasskanal als Ladungsbewegungskanal und zumindest ein Einlasskanal als Füllkanal ausgeführt ist, wobei der Einlassströmungsweg mit einem für beide Einlasskanäle gemeinsamen Vergaser verbunden ist und die Einlasskanäle stromabwärts des Vergasers durch eine Kanaltrennwand getrennt sind, ist aus der AT 004.966 U1 bekannt. Der Vergaser ist 15 dabei im Bereich der Verzweigung der Einlasskanäle vom gemeinsamen Einlassrohr angeordnet, wobei die Einlasskanäle stromabwärts des Vergasers bis zu den Einlassventilen getrennt geführt sind. Stromaufwärts des Vergasers ist keine Trennung vorgesehen. Um die bei Vergasermotoren bekannten Probleme in Folge Wandfilmbildungen des Kraftstoffes, wie CO-und HC-Emissionsspitzen bei instationärem Betrieb, so gering wie möglich zu halten, wird die Länge der 20 Einlasskanäle stromabwärts des Vergasers möglichst kurz ausgeführt. Dies wirkt sich aber nachteilig auf die Gasdynamik aus.

Die DE 28 54 332 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlasskanälen pro Zylinder, wobei für beide Einlasskanäle ein gemeinsamer Vergaser vorgesehen ist und wobei die Ein-25 lasskanäle bis vor einen Bereich stromaufwärts des Vergasers getrennt ausgebildet sind.

Aus der US 2001/0023680 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Einlasskanälen pro Zylinder bekannt, wobei die Einlasskanäle von einem gemeinsamen Einlassrohr ausgehen. Im Bereich der Verzweigung ist ein für beide Einlasskanäle gemeinsamer Vergaser angeordnet. 30

Auch aus der GB 2 111 599 A ist eine Brennkraftmaschine für einen für zwei Einlasskanäle gemeinsam ausgebildeten Vergaser bekannt, wobei die Einlasskanäle auch im Bereich des Vergasers voneinander getrennt sind. 35 Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auch bei zylindernaher Vergaseranordnung eine ausreichende gasdynamische Verbesserung des Luftaufwandes zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Vergaser einen Vergaserschieber auf-40 weist, der im Bereich eines Wanddurchbruchs der Kanaltrennwand zwischen den beiden Einlasskanälen angeordnet ist.

Um eine ausgeprägte gasdynamische Aktivität nutzen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Länge des Ladungsbewegungskanals und des Füllungskanals unterschiedlich ist, 45 wobei vorzugsweise der Ladungsbewegungskanal länger ist als der Füllkanal.

Durch den Vergaserschieber wird eine Kanaltrennung bis zu etwa dem halben Schiebehub bewirkt, so dass die beiden Einlasskanäle bei einem Hubvorgang des Schiebers nacheinander freigegeben werden. Der Vergaserschieber bildet dabei eine Drosseleinrichtung aus. 50

In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Bereich des vorzugsweise als Schiebervergaser ausgebildeten Vergasers zumindest ein Überströmkanal vorgesehen ist, welcher in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine Strömungsverbindung zwischen dem ladungsbewegten Kanal und dem Füllkanal ermöglicht, wobei vorzugsweise se der Überströmkanal im oder am Vergaserschieber angeordnet ist. Beim Öffnen des Verga- 3 AT 501 202 B1 serschiebers entsteht ein ziemlich abrupter Übergang zwischen dem ladungsbewegtem Kanal und dem Füllkanal. Dies führt zu einer kurzfristigen übermäßigen Abmagerung des Gemisches, da die Kraftstoffzufuhr durch den Vergaser zeitverzögert auf den erhöhten Luftdurchsatz zu Folge der unstetigen Querschnittsvergrößerung reagiert. Dies kann zu Störungen im Verbren-5 nungsablauf und zu erhöhten Emissionen führen. Der Überströmkanal dient dazu, um einen sanfteren Übergang zwischen ladungsbewegtem Kanal und Füllungskanal zu erreichen, um der Kraftstoffzuführung genügend Zeit zu geben, auf die erhöhte Ansaugluftmenge zu reagieren. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nut oder Ausnehmung an der stromabwärtigen Seite des Vergaserschiebers angeordnet ist und wenn die in Schieberrichtung gemessene io Erstreckung der Nut oder Ausnehmung größer ist als die Dicke der Kanaltrennwand, und wobei die Nut oder Ausnehmung in zumindest einer Öffnungsstellung des Schiebers im Bereich der Kanaltrennwand liegt.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der Überströmkanal durch eine radiale oder 15 halbaxiale Bohrung im Vergaserschieber gebildet ist, wobei ein Ende der Bohrung in zumindest einer Öffnungsstellung des Schiebers in den Füllkanal mündet. Zusätzlich oder anstelle des Überströmkanals kann vorgesehen sein, dass für den Füllkanal im Bereich des Schiebers des Vergasers eine Umgehungsleitung vorgesehen ist, welche einen Bereich des Füllkanals stromaufwärts des Vergasers mit einem Bereich des Füllkanals stromabwärts des Vergasers in zu-20 mindest einer Stellung des Vergaserschiebers strömungsverbindet. Eine erfindungsgemäße Variante sieht dabei vor, dass die Umgehungsleitung in die Kanalwand des Füllkanals eingeformt ist. In einer besonders einfach zu realisierenden Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Umgehungsleitung durch eine radiale Bohrung oder eine Umfangsnut im Schieber des Vergasers gebildet ist, wobei der Durchfluss durch die Umgehungsleitung in zumindest einer 25 Zwischenstellung des Schiebers freigegeben ist.

Um eine maximale Leistungsausbeute bei Volllast zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vergaser eine Volllastanreicherungsdüse aufweist, welche in Strömungsrichtung zum Füllkanal stromaufwärts des Vergasers angeordnet ist, so dass der Kraftstoffstrahl der Volllast-30 anreicherungsdüse überwiegend in den Füllkanal eintritt.

Sehr vorteilhaft für die Hebung der Abgasqualität ist es, wenn stromabwärts der Drosseleinrichtung zumindest eine Abgasrückführleitung in zumindest einen Einlasskanal, vorzugsweise in den Ladungsbewegungskanal einmündet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückfüh-35 rung durch einen Schieber betätigbar ist.

Durch die Kombination Ladungsbewegungskanal, Füllkanal und eine als herkömmlicher Vergaser ausgebildete Kraftstoffzuführeinrichtung kann einerseits auf sehr einfache Weise eine kontrollierte Verbrennung im Brennraum mit äußerst geringen Emissionswerten und andererseits ein 40 sehr günstiger Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Durch die Verwendung eines herkömmlichen Vergasers bei einer Doppeleinlasskanalkonfiguration mit einem Füllkanal und einem Ladungsbewegungskanal kann ohne komplizierte elektrische und elektronische Einrichtungen das Auslangen gefunden werden. Somit entfallen aufwendige regel- und steuertechnische Vorrichtungen zur Einspritzung des Kraftstoffes samt erhöhter Energiebereitstellung. Die Vergasertechnik 45 bietet zudem höchste Zuverlässigkeit und hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Bauvolumen, das Baugewicht und die Kosten der Brennkraftmaschine sehr gering gehalten werden kann.

Um wahlweise eine Ladungsschichtung im Brennraum durchführen zu können, ist vorgesehen, so dass beim Öffnen des Schiebers zuerst der Ladungsbewegungskanal und anschließend der Füllkanal freigebbar ist.

Der Ladungsbewegungskanal hat die Aufgabe, der Ladung im Brennraum einen Drehimpuls um die Zylinderachse zu verleihen. Er kann dabei als Tangential- oder als Spiralkanal ausgeführt 55 sein. 4 AT 501 202 B1

Ist der Ladungsbewegungskanal als Tangentialkanal gestaltet, so weist er nur eine geringe Krümmung auf und ist stark gegenüber der Ventilachse geneigt und erzeugt eine tangential auf die Zylinderwand treffende Strömung, die im Zylinder zur Ausbildung einer starken Drallbewegung führt. Der Füllkanal oder Neutralkanal weist eine gegenüber dem Tangentialkanal größere 5 Krümmung, allerdings eine geringere Neigung gegenüber der Ventilachse auf. Er erzeugt eine in etwa auf die Zylindermitte gerichtete Einströmung, die weder eine ausgeprägte Drallbewegung, noch eine Tumble-Bewegung hervorruft.

Der Vergaserschieber bildet bevorzugt eine Drosseleinrichtung aus. Durch die Drosselung des io Füllkanals wird erreicht, dass die Einströmung der Ladung aus diesem Kanal mit geringerem Impuls in den Zylinderraum eintritt, als die vom Tangentialkanal zugeführte Luft. Das Gesamtströmungsfeld im Zylinderraum wird so von dem ungedrosselten Tangentialkanal dominiert. Die Ladungsbewegung bewirkt eine schnelle, stabile und gleichmäßige Verbrennung. Dies ergibt eine geringere Klopfanfälligkeit trotz möglicher höherer Verdichtung. Dies schafft günstige 15 Voraussetzungen zur Erzielung hoher Abmagerbarkeit, um niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Gleichzeitig wird die Verträglichkeit für höhere Abgasrückführraten gesteigert, wodurch die ΝΟχ-Emissionen bedeutend gesenkt werden können.

Um die beschriebene Ladungsbewegung im Brennraum zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn 20 zumindest zwei Einlasskanäle im Bereich des Vergaseraustrittes übereinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Füllkanal über dem Ladungsbewegungskanal angeordnet ist. Ein Gefälle zwischen dem Vergaser und den Einlassventilen ist von Vorteil.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 25

Es zeigen schematisch Fig. 1 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Querschnitt in einer Ausführungsvariante, Fig. 2 die Brennkraftmaschine in einem Schnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1 und Fig. 3 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Querschnitt in einer zweiten Ausführungsvariante. 30

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 normal zur Kurbelwellenachse 7a. Der Brennraum 2 wird durch einen in einem Zylinder 3 hin- und hergehenden Kolben 4 und der durch den Zylinderkopf 5 gebildeten dachförmigen Brennraumdecke 6 gebildet. In den Brennraum 2 mündet über geneigt zur Zylinderachse 7 angeordnete Einlass-35 ventile 8 und 9, ein jeweils bis zu den Einlassventilen 8 und 9 getrennt geführter erster und zweiter Einlasskanal. Der erste Einlasskanal ist dabei als Ladungsbewegungskanal 11 und der zweite Einlasskanal als Füllkanal 12 ausgebildet. Der Ladungsbewegungskanal 11 kann ein Tangentialkanal oder ein Spiralkanal sein. Mit Bezugszeichen 10 sind Auslassventile angedeutet. 40

Der Ladungsbewegungskanal 11 und der Füllkanal 12 sind - ausgehend von einem nicht weiter dargestellten gemeinsamen Einlassrohr oder Einlasssammler - sowohl stromabwärts, als auch stromaufwärts eines für beide Einlasskanäle gemeinsamen Vergaser 14 getrennt ausgeführt. Der Vergaserschieber 15 ist in einer Ausnehmung in der Kanaltrennwand 16 angeordnet und 45 fungiert als Drosseleinrichtung 21 und als Kanaltrenneinrichtung für die beiden Einlasskanäle. Dadurch kann ein Carnot-Stoß für rücklaufende Impulswellen vermieden werden. Um gasdynamische Effekte möglichst gut nützen zu können, ist der Ladungsbewegungskanal 11 länger ausgebildet als der Füllkanal 12. so Stromaufwärts des Vergaserschiebers 15 mündet eine Volllastanreicherungsdüse 19 in das Einlassrohr 13 ein und ist dabei so in der oberen Hälfte des Einlassrohres 13 angebracht, dass ein austretender Kraftstoffstrahl überwiegend in den Füllkanal 12 eintritt.

Die durch den Vergaserschieber 15 gebildete Drosseleinrichtung 21 dient der Füllungsregelung. 55 Der Vergaserschieber 15 gibt bei der Öffnungsbewegung zuerst den Ladungsbewegungskanal

Claims

5 AT 501 202 B1 11 und dann den Füllkanal 12 frei. Um abrupte Übergänge zwischen Ladungsbewegungskanal 11 und dem Füllkanal 12 zu vermindern, welche zu kurzzeitiger übermäßiger Gemischabmagerung führen könnten, ist zumindest ein Überströmkanal 25 vorgesehen, welcher als Ausnehmung 26 oder als schräge Bohrung 27 im Vergaserschieber 15 ausgebildet sein kann. Dadurch 5 wird kurz vor der Freigabe des Füllkanals 12 durch den Vergaserschieber 15 ein Überströmen vom Ladungsbewegungskanal 11 ermöglicht. Ein ähnlicher Effekt kann mit einem Umgehungskanal 28 in der Kanalwand des Füllkanals 12 oder - als Bohrung 29 ausgebildet - im Vergaserschieber 15 erzielt werden, wie in Fig. 3 ange-io deutet ist. Zumindest in den Ladungsbewegungskanal 11 mündet eine Abgasrückführleitung 20 ein. Die Abgasrückführung kann über einen nicht weiter dargestellten Schieber gesteuert werden. 15 Patentansprüche: 1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen (8, 9) und einem Einlassströmungsweg mit zumindest zwei zu den Einlassventilen (8, 9) führenden Einlasskanälen 20 pro Zylinder (1), von denen zumindest ein Einlasskanal als Ladungsbewegungskanal (11) und zumindest ein Einlasskanal als Füllkanal (12) ausgeführt ist, wobei der Einlassströmungsweg mit einem für beide Einlasskanäle gemeinsamen Vergaser (14) verbunden ist und die Einlasskanäle stromabwärts des Vergasers (14) durch eine Kanaltrennwand (16) getrennt sind, wobei die Einlasskanäle auch stromaufwärts des Vergasers (14) durch die 25 Kanaltrennwand (16) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (14) einen Vergaserschieber (15) aufweist, der im Bereich eines Wanddurchbruchs der Kanaltrennwand (16) zwischen den beiden Einlasskanälen angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des La- 30 dungsbewegungskanals und des Füllungskanals (12) unterschiedlich ist, wobei vorzugs weise der Ladungsbewegungskanal (11) länger ist als der Füllkanal (12).
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Vergasers (14) zumindest ein Überströmkanal (25) vorgesehen ist, welcher in zumin- 35 dest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine Strömungsverbindung zwischen dem ladungsbewegten Kanal (11) und dem Füllkanal (12) ermöglicht.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (25) im oder am Vergaserschieber (15) angeordnet ist. 40
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (25) durch eine Nut oder eine Ausnehmung (26) an der Oberfläche des Schiebers (15) gebildet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut oder Aus nehmung (26) an der stromabwärtigen Seite des Schiebers (15) angeordnet ist und die in Schieberrichtung gemessen Erstreckung der Nut oder Ausnehmung (26) größer ist als die Dicke (d) der Kanaltrennwand (16), und wobei die Nut oder Ausnehmung in zumindest einer Öffnungsstellung des Schiebers (15) im Bereich der Kanaltrennwand liegt. 5°
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (25) durch eine radiale oder halbaxiale Bohrung (27) im Schieber (15) gebildet ist, wobei ein Ende der Bohrung (27) in zumindest einer Öffnungsstellung des Schiebers (15) in den Füllkanal (12) mündet. 55 6 AT 501 202 B1
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Füllkanal (12) im Bereich des Schiebers (17) des Vergasers eine Umgehungsleitung (28) vorgesehen ist, welche einen Bereich des Füllkanals (12) stromaufwärts des Vergasers (14) mit einem Bereich des Füllkanals (12) stromabwärts des Vergasers (14) in zu- 5 mindest einer Stellung des Schiebers (15) strömungsverbindet.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (28) in die Kanalwand des Füllkanals (12) eingeformt ist. io 10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (28) durch eine radiale Bohrung (29) oder eine Umfangsnut im Schieber (15) des Vergasers (14) gebildet ist, wobei der Durchfluss durch die Umgehungsleitung (28) in zumindest einer Zwischenstellung des Schiebers (15) freigegeben ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserschie ber (15) eine Drosseleinrichtung (21) ausbildet.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Einlasskanäle im Bereich des Vergaseraustrittes übereinander angeordnet 20 sind, wobei vorzugsweise der Füllkanal (12) über dem Ladungsbewegungskanal (11) an geordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle zwischen Vergaser (14) und Einlassventil ein Gefälle aufweisen. 25
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (14) eine Volllastanreichungsdüse (19) aufweist, welche in Strömungsrichtung zum Füllkanal (12) angeordnet ist, so dass der Kraftstoffstrahl der Volllastanreicherungsdüse (19) überwiegend in den Füllkanal (12) eintritt. 30 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 55