DE10128500C1 - Leitsystem für in die Zylinder einer Brennkraftmaschine einzubringendes Fluid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitsystem für in die Zylinder einer Brennkraftmaschine einzubrin­ gendes Fluid mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 8.

Aufgrund zunehmender Umweltbelastung und aufgrund der steigenden Kraftstoffpreise ver­ langen der Gesetzgeber und die Verbraucher fortwährend Minderungen sowohl des Kraft­ stoffverbrauchs als auch der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen. Deshalb wird seit einigen Jahren intensiv die Entwicklung von Ottomotoren mit Direkteinspritzung (im folgen­ den kurz "DI-Ottomotoren" genannt) vorangetrieben. Insbesondere bei DI-Ottomotoren ist die Zylinderinnenströmung des meist über zwei Einlaßventile in den Zylinder eingeführten Fluids maßgebend für die Gemischaufbereitung im Zylinder. Bereits während der Einlaßphase exi­ stieren erhebliche Unterschiede in der Strömungsstruktur und -geschwindigkeit, die zu zykli­ schen Schwankungen der Fluidströmung führen, welche die Gemischaufbereitung stören.

Ein bekanntes Ladungsbewegungskonzept für DI-Ottomotoren ist ge­ mäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 mit dem sogenannten Tumble-Brennverfahren verwirklicht (MTZ-Motortechnische Zeitschrift, 61 (2000), Aufsatz S. 758 bis 763 "Tumble-Brennverfahren für DI-Ottomotoren" von P. Wolters, J. Geiger und H. Baumgarten). Hierbei ist der Einlaßkanal für das in den Zylinder einzubringende Fluid durch eine fest installierte Wand horizontal unterteilt, und dieser fest installierten Unterteilung ist eine durch ein Schaltsystem steuerbare Klappe vorgeschaltet, welche eine Teildeaktivie­ rung des Einlaßkanales bewirkt.

Eine "Tumble"-Bewegung bedeutet in der Fachsprache eine rotierende Strömungsbewegung des Fluids im Zylinder um eine horizontale Achse während eine "Drall"-Bewegung eine rotie­ rende Bewegung um eine vertikale Achse (parallel zur Zylinderachse) meint.

Aus der DE 198 56 309 A1 ist ein Leitsystem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 bekannt, bei dem im Zylinder eine Tumble- Bewegung des Fluidgemisches dadurch bewirkt ist, daß jedes Teil­ element seinen Einlaßkanal im wesentlichen senkrecht zur Hochachse des Zylinderkopfes schneidet und auf einem Lagerelement gelagert ist, das in der Ebene eines Flansches liegt, über welchen ein Luft­ ansaugkanal an den Zylinderkopf angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leitsystem der im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 genannten Art so auszugestalten, daß zyklische Schwankungen der Fluidströmung minimiert und eine stabile Tumble- und/oder Drallbewegung der Fluidströmung im Zy­ linder zum Zündzeitpunkt erreicht wird.

Diese Aufgabe ist durch Patentanspruch 1 und alternativ durch Pa­ tentanspruch 8 gelöst.

Bei einem Leitsystem gemäß der Erfindung sind die Leitelemente so in den jeweiligen Einlaßkanälen angeordnet, daß die in den Zylinder einströmenden Teilströme sich nicht störend beeinflussen, sondern überwiegend in Richtung zu den voneinander abgewandten Sei­ ten der Einlaßventile in den Zylinder strömen. Dies minimiert zyklische Schwankungen und erzeugt eine stabile Tumble- oder Drallbewegung während der Kompressions- und Zündphase.

Die Leitelemente können alternativ fest, d. h. im Betrieb nicht verstellbar, oder im Betrieb einstellbar in den Einlaßkanälen in­ stalliert sein, wie sich dies aus den Patentansprüchen 8 oder 1 ergibt.

Der Vorteil einer festen Installation der Leitelemente liegt im einfachen, robusten Aufbau, wobei gleichwohl die Leitelemente aufgrund ihrer zueinander gegensinnig verdrehten bzw. verdrehbaren Anordnung die gewünschte Wirkung haben.

Bevorzugt ist dabei, daß die Leitelemente von einem in einem vorgeschalteten Sammelkanal angeordneten Leitblechabschnitt abzweigen und in entgegengesetzte Richtungen spiegelbild­ lich zueinander unter räumlicher Verwindung in die Einlaßkanäle des Zylinderkopfes hinein so abgebogen sind, wie dies beispielsweise in den Fig. 8 bis 12 gezeigt ist.

Eine an jeden Betriebspunkt anpaßbare Einstellung des Leitsystems wird durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Pa­ tentanspruch 1 erreicht, bei der die Leitelemente um die Hauptströmungsachsen der Einlaßkanäle mittels einer Stellvorrichtung um begrenzte Verdrehwinkel gegenläu­ fig zueinander verdrehbar sind, wobei die Verdrehwinkel einander entgegengesetzt im Be­ reich zwischen 0° und 60°, vorzugsweise bei 30°, bezüglich einer die Achsen beider Einlaß­ kanäle enthaltenden Ebene liegen. Diese Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, abhän­ gig vom Betriebspunkt für die Gemischbildung und Verbrennung jeweils optimale Strö­ mungsverläufe im Zylinder zu erzeugen.

Eine konstruktive Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist in Anspruch 7 angegeben.

Der Einsatz eines Leitsystems nach der Erfindung ist nicht auf DI-Ottomotoren beschränkt. Er kann durchaus auch bei Brennkraftmaschinen anderer Bauart, wie bei herkömmlichen Otto­ motoren mit Gemischbildung außerhalb des Zylinders oder bei Dieselmotoren sinnvoll sein.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung der Erfindung, wobei der Klarheit halber nur ein Zylinder, nicht aber der ebenfalls vorhandene Zy­ linderkopf dargestellt sind;

Fig. 2 einen Achsschnitt durch ein Leitsystem nach Fig. 1, hier mit dem ebenfalls geschnitten dargestellten Zylinderkopf und Zylinder;

Fig. 3 ein Rohrstück des Leitsystems nach Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch zwei parallele Rohrstücke des Leitsystems nach den Fig. 1 und 2 längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung eines Leitsystems gemäß der Erfindung mit Blickrichtung auf die Seite des nur angedeuteten Zy­ linderkopfes;

Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch das Leitsystem nach Fig. 5 nach der Linie VI-VI;

Fig. 7 einen schematischen Schnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 und 9 perspektivische Ansichten in unterschiedlichen Richtungen eines Leitblechs, wie es in dem Leitsystem nach Fig. 5 bis 7 eingesetzt ist;

Fig. 10 bis 12 eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Stirnansicht des Leitblechs;

Fig. 13 und 14 perspektivische Innenansichten von zwei transparenten Zylindern mit zwei Einlaßventilen und unterschiedlicher herkömmlicher Fluid-Einlaßströmung und

Fig. 15 in einer Darstellung wie in Fig. 13 und 14 die Einlaßströmung bei Einsatz eines Leitsystems gemäß der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Teile durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In den Fig. 1 und 2 sind ein Zylinder 2 und ein Zylinderkopf 4 einer Brennkraftmaschine an­ gedeutet. Der Zylinderkopf 4 enthält zwei Einlaßkanäle 6 für den oder jeden Zylinder 2, die durch Einlaßventile 8 gesteuert sind, sowie zwei Auslaßkanäle 10, die durch Auslaßventile 12 gesteuert sind. Etwa mittig zum Zylinder und zwischen den Kanälen 6 und 10 ist eine Zünd­ kerze 14 angeordnet.

An die Einlaßkanäle 6 im Zylinderkopf 4 schließen äußere Einlaßkanäle 16 an, die von einem gemeinschaftlichen, die gesamte Ansaugluft für den Zylinder 2 führenden Sammelkanal 18 abzweigen. Die äußeren Einlaßkanäle 16 haben jeweils einen Rohrabschnitt 20, der um seine Längsachse H, d. h. die Hauptströmungsachse, mittels einer nicht gezeigten Stellvorrichtung abhängig von dem maßgebenden Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (Drehzahl, Last) dreheinstellbar ist. In jedem Rohrstück ist ein Leitsystem, umfassend ein Leitblech 22 und eine Klappe 24 vorgesehen, welches die Strömung im Sammelkanal in zwei Teilströme un­ terteilt. Das Leitblech 22 ist im drehbaren Rohrabschnitt 20 befestigt. Es ragt mit einem ab­ laufenden Abschnitt 23 in den Einlaßkanal 6 im Zylinderkopf 4 hinein, wobei dieser ablau­ fende Abschnitt 23 der Krümmung des Einlaßkanals 6 folgend gebogen ist.

Jede Klappe 24 ist um eine zur Hauptströmungsachse H senkrechte Querachse Q schwenkein­ stellbar, beispielsweise bis zu einem Winkel von 45° (gestrichelt gezeichnet) gegenüber einer Horizontalstellung (durchgezogen gezeichnet). In der durchgezogen gezeichneten Stellung behindert die Klappe 24 die Strömung nicht, so daß beide durch das Leitblech 22 abgeteilten Teilkanäle ungehindert durchströmt werden, während in der gestrichelt gezeichneten 45°- Position die Klappe 24 den Teilbereich des Einlaßkanales unterhalb des Leitbleches 22 voll­ ständig absperrt, so daß die gesamte Fluidströmung den Teilbereich oberhalb des Leitbleches 22 passieren muß, was zu einer höheren Geschwindigkeit und damit erhöhter kinetischer Energie der Strömung führt.

Der Verdrehwinkel α des Rohrabschnitts (vgl. Fig. 4) liegt zwischen 0° und 60°, vorzugswei­ se bei etwa 30° bezüglich einer die Achsen beider Einlaßkanäle enthaltenden Ebene E, wobei die Verdrehung wie aus den Fig. 1 und 4 ersichtlich, gegenläufig ist.

Die geschwungenen Pfeile P in Fig. 1 bezeichnen die Einlaßströmung im Betrieb bei der ge­ zeigten Verdrehstellung der Rohrabschnitte 20 und bei der die unteren Teilbereiche der Ein­ laßkanäle sperrenden (in Fig. 2 und 3 gestrichelten) Stellung der Klappe 24.

Es ist ersichtlich, daß die Einlaßströmung über die Ventilaußenseiten, d. h. die voneinander abgewandten Seiten der Ventile erfolgt. In diesem Zusammenhang sei auch auf die Fig. 15 verwiesen, welche eben diese Einlaßströmung in Richtung der Pfeile P zeigt, die zu einer Einlaßströmung mit vernachlässigteren zyklischen Schwankungen zur Bildung einer stabilen Tumble- und/oder Drallwalze führt.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 bis 4 ist ein (nicht gezeigter) Verstellmechanismus für die Klappe zum Verändern der Schwenkstellung der Klappe 24 um die Querachse Q sowie ein weiterer Verstellmechanismus für die Rohrabschnitte 20 erforderlich, der es ermöglicht, das Leitsystem selbsttätig in Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu verstellen. Dies sorgt für eine optimale Einlaßströmung in den Zylinder unter allen Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine.

Die im folgenden beschriebene Ausführung nach den Fig. 5 bis 12 ist insofern konstruktiv einfacher, als nur die Klappe 24 zu verstellen ist, während die Leitelemente 122 Teil eines einzigen, in den Figuren mit 120 bezeichneten Leitbleches bilden. Der Aufbau dieses Leitble­ ches ist aus den Fig. 8 bis 12 erkennbar. Danach sind die Leitelemente 122 von zwei nach unten und oben spiegelbildlich zueinander in entgegengesetzte Richtungen abgebogenen Blechteilen gebildet, die durch einen Schlitz 124 unterteilt und von einem gemeinsamen ebe­ nen Leitblechabschnitt 121 in die Einlaßkanäle 6 im Zylinderkopf 4 in entgegengesetzte Richtungen hineingebogen sind. Die Blechteile 122 haben somit je einen oberen Zipfel 123 und einen unteren Zipfel 125 und sind zwischen diesen Zipfeln von der ebenen Kante 126 des Leitblechabschnittes 121 weg räumlich verwunden.

Die Darstellungen gemäß den Fig. 13 bis 15 zeigen die Einlaßströmungen in einen transparent gedachten Zylinder 2 über die beiden geöffneten Einlaßventile 8 hinein, wobei das Einlaßfluid bei dem jeweils links dargestellten Einlaßventil 8 durch grau getönte Pfeile und bei dem je­ weils rechts dargestellten Einlaßventil 8 durch schwarz getönte Pfeile symbolisiert dargestellt ist. Bei dem Zylinder 2 gemäß Fig. 13 ist kein Leitsystem vorgesehen, so daß ein Einlaßfluid jeweils über den Einlaßkanal 6 gleichförmig um das Einlaßventil 8 herum in den Zylinder 2 einströmt. Hierbei entstehen aufgrund des Aufeinandertreffens der Einlaßströme, insbesonde­ re auf den einander zugewandten Seiten der beiden Ventile 8, störende Turbulenzen, welche zu den erwähnten Instabilitäten der Strömungsstruktur im Zylinder führen und die Strö­ mungsverhältnisse in der anschließenden Kompressionsphase negativ beeinflussen.

Bei dem Zylinder 2 gemäß Fig. 14, bei dem ein Leitsystem nach dem in der Beschreibungs­ einleitung diskutierten Stand der Technik verwirklicht ist, wird zwar die kinetische Energie der Gasbewegung während der Einlaß- und Kompressionsphase deutlich erhöht. Eine Verwir­ belung der aufeinandertreffenden Einlaß-Teilströme auf den aneinander zugewandten Seiten der Ventile 8 findet jedoch nach wie vor statt, so daß auch hier frühzeitig die stabilisierenden Turbulenzen erzeugt werden.

Fig. 15 zeigt die Strömungsverhältnisse in einem Zylinder 2 mit einem Leitsystem gemäß der Erfindung, wobei die Klappen 24 in der gestrichelt in den Figuren dargestellten Schließstel­ lung sind. Somit werden die durch das Leitsystem eingelassenen Teilströme hoher Energie praktisch ausschließlich über die voneinander abgewandten Seiten der Ventile 8 in den Zylin­ derinnenraum geleitet, um eine stabile Tumble-Walze im Inneren des Zylinders zu bilden, ohne daß es zu Verwirbelungen im Bereich der einander zugewandten Seiten der Ventile 8 kommt. Dies führt zu den gewünschten stabilen Strömungsverhältnissen im Zylinder in der Kompressionsphase und bei der Zündung.

Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfin­ dung von Bedeutung sein.

Claims (9)

1. Leitsystem für in die Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine einzubringendes Fluid, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Einlaßventile (8) aufweist, jedem Einlaßventil ein gesonderter Einlaßkanal (6, 16, 20) für das Fluid zugeordnet ist, in jedem Einlaß­ kanal ein Leitelement (22) installiert ist, das die Strömung in zwei Teilströme unter­ teilt, und stromaufwärts von jedem Leitelement eine Klappe (24) vorgesehen ist, die um eine zur Hauptströmungsachse (H) senkrechte Querachse (Q) zum Drosseln eines der beiden Teilströme bis maximal zu dessen vollständiger Absperrung schwenkein­ stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (22) um die Haupt­ strömungsachsen (H) der Einlaßkanäle (6, 16, 20) gegenläufig zueinander verdrehbar angeordnet sind, so daß die Teilströme in Richtung zu den voneinander abgewandten Seiten der Einlaßventile (8) in den Zylinder (2) geleitet werden.

2. Leitsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (24) abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine schwenkeinstellbar ist.

3. Leitsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leite­ lemente (22) in Hauptströmungsrichtung (F) einer Krümmung der Einlaßkanäle (6) folgend gebogene Abschnitte (23) haben.

4. Leitsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente um die Hauptströmungsachsen (H) der Einlaßkanäle um begrenzte Verdrehwinkel (α) gegenläufig zueinander abhängig vom Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine dreheinstellbar sind.

5. Leitsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehwinkel (α) im Bereich zwischen 0° und 60°, vorzugsweise bei etwa 30°, bezüglich einer die Achsen der beiden Einlaßkanäle enthaltenden Ebene (E) liegen.

6. Leitsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Klap­ pe (24) zu einer gemeinsamen Verdrehung mit dem zugehörigen Leitelement (22) ge­ kuppelt ist, jedoch individuell um die Querachse (Q) schwenkeinstellbar ist.

7. Leitsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrabschnitt (20) des Einlaßkanals (6, 16) zu einer Verdrehung um die Hauptströmungsachse (H) antreibbar ist, und daß die Querachse (Q), um welche die zugehörige Klappe (24) ver­ schwenkbar ist, im Rohrabschnitt festgelegt ist.

8. Leitsystem für in die Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine einzubringendes Fluid, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Einlaßventile (8) aufweist, jedem Einlaßventil ein gesonderter Einlaßkanal (6, 16, 20) für das Fluid zugeordnet ist, in jedem Einlaß­ kanal ein Leitelement (122) installiert ist, das die Strömung in zwei Teilströme unter­ teilt, und stromaufwärts von jedem Leitelement eine Klappe (24) vorgesehen ist, die um eine zur Hauptströmungsachse (H) senkrechte Querachse (Q) zum Drosseln eines der beiden Teilströme bis maximal zu dessen vollständiger Absperrung schwenkein­ stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die fest in den Einlaßkanälen (6, 16, 20) installierten Leitelemente (122) von einem gemeinsamen Leitblechabschnitt (121) in entgegengesetzte Richtungen spiegelbildlich zueinander in die Einlaßkanäle gebo­ gen sind, wobei der Leitblechabschnitt (121) in einem Sammelkanal (18) angeordnet ist, von dem die Einlaßkanäle (16) abzweigen.

9. Leitsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (122) in zwei Hauptrichtungen räumlich verwunden sind.