DE10035239B4

DE10035239B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10035239B4
Application number: DE10035239A
Authority: DE
Inventors: Achim Dipl.-Ing. Guggenmos; Janusz Dipl.-Ing. Kwiatkowski
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: GB2365071B; GB0117515D0; DE10035239A1; FR2812030A1; US20020017272A1; GB2365071A

Abstract

Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung mit einem Kurbelgehäuse (3), mit wenigstens einer darin sich befindlichen Zylinderbohrung (4), wenigstens einem in der wenigstens einen Zylinderbohrung (4) eine oszillierende Bewegung ausführenden Kolben (5), wenigstens einem Zylinderkopf (2) mit wenigstens einem darin sich befindlichen Brennraum (6), der der wenigstens einen Zylinderbohrung (4) zugeordnet ist, in dem wenigstens einen Zylinderkopf (2) sind insgesamt fünf Gaswechselventile (7, 8, 9, 10, 11) mit zugehörigen Ein- (17, 18, 19) und Auslasskanälen (20, 21) angeordnet sind, und mit einem, sich in der Mitte des Brennraums (6) zwischen den Gaswechselventilen (7, 8, 9, 10, 11) befindlichen Bereich (14), in dem eine Zündkerze (15) und eine Einspritzdüse (16) angeordnet und auf den Brennraum (6) zu gerichtet sind, wobei die Zündkerze (15) und die Einspritzdüse (16) aufeinander zu gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (15) und die Einspritzdüse (16) um einen bestimmten Winkel (α) von ca. 15–20° verdreht zu einer Längsachse...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ist aus der EP 0 967 370 A2 bekannt. Diese zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse mit wenigstens einer Zylinderbohrung, einem eine oszillierende Bewegung ausführenden Kolben, einen Zylinderkopf mit Brennraum mit fünf Gaswechselventilen, bei dem in der Mitte des Brennraums zwischen den Gaswechselventilen eine Zündkerze und eine Einspritzdüse angeordnet sind.
Ferner ist aus der DE 197 16 642 C2 ein Mehrzylinder-Ottomotor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung bekannt, der zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile aufweist, und bei dem eine Zündkerze etwa zentrisch angeordnet ist. Die Einspritzdüse mündet versetzt zur Zylinderachse zwischen einem Einlaßventil und dem gegenüberliegenden Auslaßventil in den Brennraum. Einen ähnlichen Stand der Technik zeigt auch die DE 197 20 490 A1 . Derartige Brennkraftmaschinen werden meist mit einem sogenannten strahlgeführten Verbrennungsverfahren betrieben, bei dem die Einspritzdüse den Kraftstoff in Richtung der Zündkerze verteilt.
Nachteilig bei diesen bekannten Brennkraftmaschinen ist jedoch die Tatsache, daß für die Gaswechselventile und somit für das Ein- und Ausströmen von Gasen in und aus dem Brennraum prinzipbedingt nur eine verhältnismäßig geringe Fläche zur Verfügung steht, was zu erheblichen Nachteilen im Ladungswechsel führt und somit nur relativ niedrige Drehmoment- und Leistungswerte erlaubt.
Es besteht bei diesen bekannten Systemen Optimierungsbedarf hinsichtlich eines geeigneten Flächenverhältnisses der Gesamtfläche der Gaswechselventile zu der Fläche der Zylinderbohrung. Außerdem ist bei diesen Anordnungen die Zugänglichkeit zu der Einspritzdüse und der Zündkerze, sowie zu den Nockenwellen und den Ventilen, nachteilig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung und einem strahlgeführten Verbrennungsverfahren anzugeben, bei welcher die Zündkerze und die Einspritzdüse um einen bestimmten Winkel α, der in einem engen Bereich liegt, verdreht zu einer Längsachse des Zylinders angeordnet sind und bei welcher die Gesamtfläche der Gaswechselventile zu der Fläche der Zylinderbohrung in einem bestimmten Verhältnis liegen, um zum einen hohe Drehmoment- und Leistungswerte zu erreichen und zum anderen die Zugänglichkeit zu der Zündkerze und der Einspritzdüse zu verbessern sowie eine einfachere Unterbringung der zur Ansteuerung der Gaswechselventile notwendigen Nockenwellen zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Zündkerze und die Einspritzdüse sind bei einer erfindungsgemäßen Anordnung um einen bestimmten Winkel zu einer Längsachse des Zylinderkopfes verdreht. Dabei wird zum einen die Zugänglichkeit zu der Zündkerze und der Einspritzdüse verbessert und es ergeben sich zum anderen Vorteile bezüglich einer einfacheren Unterbringung der zur Ansteuerung der Gaswechselventile notwendigen Nockenwelle.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen fünf Gaswechselventile können vorteilhafterweise eine derartig große Fläche bezogen auf die gesamte Querschnittsfläche der zugehörigen Zylinderbohrung einnehmen, daß bezüglich des Ladungswechsels erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Lösungen möglich sind, wodurch sich deutlich erhöhte Drehmoment- und Leistungswerte für die Brennkraftmaschine ergeben.
Aufgrund der kreisförmigen Anordnung der fünf Gaswechselventile ergibt sich im Bereich der Brennraummitte ausreichend Raum zur Unterbringung von Zündkerze und Einspritzdüse. Um den hierfür erforderlichen Bauraum zu schaffen, ist eine mittige Anordnung von Zündkerze und Einspritzdüse bei einer geringeren Anzahl von Gaswechselventilen nur durch die Verringerung der gesamten Querschnittsfläche der Gaswechselventile zu erreichen.
Durch die unmittelbare Nähe der Zündkerze und der Einspritzdüse zueinander ist ein strahlgeführtes Verbrennungsverfahren beim Betrieb der Brennkraftmaschine möglich, was eine einfachere Konstruktion der Brennkraftmaschine ermöglicht, insbesondere was die Brennraumgeometrie und die Kolbenform anbelangt. Selbstverständlich sind mit dem beschriebenen Aufbau jedoch auch andere Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine möglich.
Insgesamt ergibt sich somit eine Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung, die bezüglich der Kombination aus Leistungsfähigkeit und einfachem Aufbau einen sehr guten Kompromiß darstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderbohrung und einem sich darin befindlichen Kolben;
2 eine Draufsicht auf Teile des Zylinderkopfes der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
3 eine Ansicht des Brennraumdaches aus der Sicht der Zylinderbohrung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
4 eine Ansicht auf mehrere Brennräume der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
5 eine Ansicht nach dem Pfeil V aus 4; und
6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI aus 1.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2 und einem Kurbelgehäuse 3 in stark schematischer Darstellung. Das Kurbelgehäuse 3 weist eine Zylinderbohrung 4 mit einem darin sich befindlichen, eine oszillierende Bewegung ausführenden Kolben 5 auf. Das vorliegende Kurbelgehäuse 3 ist mit mehreren Zylinderbohrungen 4 versehen, von denen jedoch nur eine dargestellt ist. Oberhalb des Kolbens 5 weist der Zylinderkopf 2 einen Brennraum 6 auf.
In 2 sind insgesamt fünf einem der Brennräume 6 zugeordnete Gaswechselventile 7, 8, 9, 10 und 11 der Brennkraftmaschine 1 erkennbar, die in nicht dargestellter, jedoch an sich bekannter Weise in dem Zylinderkopf 2 gelagert sind. Hierbei handelt es sich um drei Einlaßventile 7, 8 und 9 auf der einen Seite des Brennraumes 6 sowie zwei Auslaßventile 10 und 11 auf der anderen Seite. Die Einlaßventile 7, 8 und 9 werden von einer Einlaßnockenwelle 12 gesteuert, wohingegen die Auslaßventile 10, 11 von einer Auslaßnockenwelle 13 gesteuert werden.
In einem sich in der Mitte des Brennraums 6 zwischen den Einlaßventilen 7, 8 und 9 auf der einen Seite und den Auslaßventilen 10 und 11 auf der anderen Seite sich befindlichen Bereich 14 sind eine Zündkerze 15 und eine Einspritzdüse 16 angeordnet und auf den Brennraum 6 zu gerichtet. Zusätzlich sind die Zündkerze 15 und die Einspritzdüse 16 aufeinander zugerichtet. Durch diese räumliche Nähe der Zündkerze 15 zu der Einspritzdüse 16 ist mit sehr einfachen Mitteln ein sogenanntes strahlgeführtes Verfahren beim Einspritzen von Benzin in den Brennraum 6 möglich.
Bei einem solchen strahlgeführten Verbrennungsverfahren trifft der mittels der Einspritzdüse 16 eingespritzte Kraftstoff auf die Flamme der Zündkerze 15 und wird so entzündet. Da das strahlgeführte Verbrennungsverfahren an sich bereits bekannt ist, wird es im folgenden nicht näher beschrieben. Das gleiche gilt auch für die aus diesem Verfahren resultierenden Vorteilen. Selbstverständlich sind durch die beschriebene Anordnung der Gaswechselventile 7, 8, 9, 10 und 11 sowie der Zündkerze 15 und der Einspritzdüse 16 auch andere Verbrennungsverfahren möglich.
Das Verhältnis der Gesamtfläche der fünf Gaswechselventile 7, 8, 9, 10 und 11 zu der Fläche der Zylinderbohrung 4 liegt in einem Bereich von 0,45–0,7:1, insbesondere in einem Bereich von 0,50–0,65:1. Die beschriebenen Verhältnisse ermöglichen besonders vorteilhafte Drehmoment- und Leistungswerte der Brennkraftmaschine 1. Zur Berechnung der jeweiligen Flächen wird dabei zum einen der Durchmesser der Zylinderbohrung 4 und zum anderen der größte Durchmesser der einzelnen Gaswechselventile 7, 8, 9, 10 und 11, also nicht der durch dieselben freigegebene Querschnitt herangezogen.
In der Darstellung gemäß 3 sind die Flächenverhältnisse zwischen den Gaswechselventilen 7, 8, 9, 10 und 11 sowie der Fläche der Zylinderkopfbohrung 4 nochmals deutlich zu erkennen, wobei hier lediglich zu den Gaswechselventilen 7, 8, 9, 10 und 11 gehörende Ventilsitze 7a, 8a, 9a, 10a und 11a dargestellt sind. Ebenso sind von der Zündkerze 15 und der Einspritzdüse 16 nur zugehörige Bohrungen 15a und 16a gezeigt. Es ist dabei zu erkennen, daß die Bohrungen 15a und 16a zwar sehr eng beieinander liegen, jedoch keine der Bohrungen 15a oder 16a sich genau in der Mitte des Brennraumes 6 befindet.
Wie des weiteren aus 3 zu entnehmen ist, sind den Einlaßventilen 7, 8 und 9 jeweils Einlaßkanäle 17, 18 und 19 zugeordnet. Gleiches gilt auch für die Auslaßventile 10 und 11, denen Auslaßkanäle 20 und 21 zugeordnet sind. Zwei der Einlaßkanäle, nämlich die Einlaßkanäle 17 und 18, sind in einem sich direkt an die zugehörigen Einlaßventile 7 und 8 anschließenden Bereich zu einem einzigen Kanal 22 zusammengeführt. Auf diese Weise ist es möglich, entweder durch Beaufschlagung der Kanäle 19 und 22 durch sämtliche Einlaßkanäle 17, 18 und 19, durch alleinige Beaufschlagung des Einlaßkanals 19 ausschließlich durch den Einlaßkanal 19 oder durch alleinige Beaufschlagung des Kanals 22 durch die beiden Einlaßkanäle 17 und 18 gemeinsam Gas in den Brennraum 6 einzuleiten. Je nachdem, welche Strömung innerhalb des Brennraums 6 erzeugt werden soll, kann eine der drei Möglichkeiten von Vorteil sein, wobei durch die beiden letztgenannten Möglichkeiten jeweils eine Drallströmung in dem Brennraum 6 erzeugt wird.
In 4 sind nochmals die Einlaßkanäle 17, 18 und 19 sowie die Auslaßkanäle 20 und 21 und die Zusammenführung der Einlaßkanäle 17 und 18 zu dem einen Kanal 22 erkennbar. Des weiteren geht daraus hervor, daß die Zündkerze 15 und die Einspritzdüse 16 um einen Winkel α versetzt zu einer Längsachse 23 des Zylinderkopfes 2 angeordnet sind, wobei im vorliegenden Fall α ca. 15–20° beträgt. Hierdurch wird zum einen eine bessere Montierbarkeit der Zündkerzen 15 und der Einspritzdüsen 16 erreicht, insbesondere im Hinblick auf eine eventuelle gegenseitige Behinderung der Einspritzdüse 16 der einen Zylinderbohrung 4 mit der Zündkerze 15 der nächsten Zylinderbohrung 4 beim Ein- und Ausbau dieser Teile. Zum anderen ist der Winkel α so gewählt, daß die beiden in dieser Figur nicht dargestellten Nockenwellen 12 und 13 noch immer einfach Platz finden und gut montiert werden können. Der Winkel α ist auch derjenige Winkel aus 3, den die Längsachse 23 mit der Verbindungslinie zwischen den Bohrungen 15a und 16a für die Zündkerze 15 und die Einspritzdüse 16 bildet.
5 zeigt nochmals eine Ansicht zur Verdeutlichung der gegenseitigen Lage der Zündkerze 15 und der Einspritzdüse 16, wobei hier sehr gut erkennbar ist, wie diese beiden Elemente aufeinander zu gerichtet sind, wozu dieselben gegenüber der Zylinderlängsachse geneigt angeordnet sind.
Im Schnitt durch den Zylinderkopf 2 gemäß 6 ist ein Kühlsystem 24 dargestellt, dessen Kühlmittel im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 23 des Zylinderkopfes 2 verläuft, wie durch die Pfeile angedeutet. Trotz der verhältnismäßig hohen Anzahl von fünf Gaswechselventilen 7, 8, 9, 10 und 11 ist es bei der vorliegenden Konstruktion möglich, Kühlmittel zwischen den Ventilen und auch zwischen der Zündkerze 15 und der Einspritzdüse 16 hindurchzuführen, was eine sehr gute Kühlung des Brennraumes 6 ermöglicht.

Claims

Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung mit einem Kurbelgehäuse (3), mit wenigstens einer darin sich befindlichen Zylinderbohrung (4), wenigstens einem in der wenigstens einen Zylinderbohrung (4) eine oszillierende Bewegung ausführenden Kolben (5), wenigstens einem Zylinderkopf (2) mit wenigstens einem darin sich befindlichen Brennraum (6), der der wenigstens einen Zylinderbohrung (4) zugeordnet ist, in dem wenigstens einen Zylinderkopf (2) sind insgesamt fünf Gaswechselventile (7, 8, 9, 10, 11) mit zugehörigen Ein- (17, 18, 19) und Auslasskanälen (20, 21) angeordnet sind, und mit einem, sich in der Mitte des Brennraums (6) zwischen den Gaswechselventilen (7, 8, 9, 10, 11) befindlichen Bereich (14), in dem eine Zündkerze (15) und eine Einspritzdüse (16) angeordnet und auf den Brennraum (6) zu gerichtet sind, wobei die Zündkerze (15) und die Einspritzdüse (16) aufeinander zu gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (15) und die Einspritzdüse (16) um einen bestimmten Winkel (α) von ca. 15–20° verdreht zu einer Längsachse (23) des Zylinder kopfes (2) angeordnet sind, und dass das Verhältnis der Gesamtfläche der Gaswechselventile (7, 8, 9, 10, 11) zu der Fläche der Zylinderbohrung (4) in einem Bereich von 0,45–0,7:1 liegt
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamtfläche der Gaswechselventile (7, 8, 9, 10, 11) zu der Fläche der Zylinderbohrung (4) in einem Bereich von 0,50–0,65:1 liegt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Einlassventile (7, 8, 9) mit drei zugehörigen Einlasskanälen (17, 18, 19) und zwei Auslassventile (10, 11) mit zwei zugehörigen Auslasskanälen (20, 21) vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Einlasskanäle (17, 18) in unmittelbarer Nähe der zugehörigen Einlassventile (7, 8) zu einem gemeinsamen Kanal (22) zusammengeführt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (2) ein Kühlsystem (24) aufweist, dessen Kühlmittel im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse (23) des Zylinderkopfes (2) verläuft.