DE10137767B4 - Gasaustauschkanal zwischen zwei Einlassöffnungen - Google Patents

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Abstract

System zur Verstärkung der Gemischbildung und Bewegung der Füllung in einem Brennraum (60) eines mehrventiligen Motors, wobei der Motor einen Einlasskanal (110) und in dem Einlasskanal erste und zweite Einlassventilelemente (50, 50') aufweist, wobei jedes Ventilelement unabhängig voneinander durch ein Betätigungselement (40) aktiviert wird, und das System ein Teilerelement (100) aufweist, das in dem Einlasskanal (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Einlassventilelement (50, 50') angeordnet ist, und das Teilerelement (100) einen darin befindlichen Kanal (120) zum Übergang von Luft oder Luft und Kraftstoff von einer Seite (A, B) des Teilerelements zu der anderen (B, A) aufweist, wobei der Kanal (120) so gestaltet ist, dass der Mengenfluss von Luft oder Luft und Kraftstoff, um die Verbrennung in dem Brennraum (60) zu verstärken, direkt zu einem der beiden Einlassventilelemente (50, 50') lenkbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Verstärkung der Gemischbildung und Bewegung der Füllung im Brennraum eines mehrventiligen Motors.
  • Bei Fahrzeugherstellern ist heute ein allgemein bekanntes Ziel, Motor- und Verbrennungssysteme bereitzustellen, die die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffes verbessern und gleichzeitig unerwünschte Emissionen reduzieren. Es gibt viele Systeme, die entwickelt worden sind und eines oder mehrere dieser Ziele erfüllen und zufrieden stellende Ergebnisse erzielen. Einige dieser Systeme umfassen zum Beispiel die Zuführung von vorher festgelegten Kraftstoff- und Luftmengen zu bestimmten Zeitpunkten im Verbrennungszyklus des Motors, verschiedene Ausführungen des Brennraums einschließlich geformter Wölbungen im Kolbenkopf, um gewünschte Gemischbildungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, mechanische Vorrichtungen für Einlass- und Auslassventile, die gewünschte Taumel- und/oder Wirbelungsmuster von Luft und von Kraftstoff-Luftgemischen im Brennraum und dergleichen erzeugen. Einige dieser Systeme werden insbesondere für Motoren mit Funkenzündung (SI) verwendet.
  • Die Bewegung der Füllung im Brennraum ist ein wichtiger Faktor zur Erzeugung von Turbulenz, die ihrerseits die Brenngeschwindigkeit in den Motoren erhöht. Jedoch geht die Taumel- und/oder Wirbelbildung oft auf Kosten der Durchflusszahl, wodurch die maximale Leistungsabgabe des Motors reduziert wird.
  • Aus US 54 63 995 A der ist ein Einlasssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Der mehrventilige Verbrennungsmotor weist einen Einlasskanal mit einem Einspritzventil und im Einlasskanal erste und zweite Einlassventilbohrungen auf, die zu ersten und zweiten Einlassventilen führen. Zwischen den beiden Einlassventilbohrungen ist eine Schottwand angeordnet, die eine Verbindungsbohrung enthält, die einen Ausgleich der Abweichungen in der Zusammensetzung des Luft/Kraftstoff-Gemisches zwischen den beiden Einlassventilbohrungen ermöglicht. Das erste Einlassventil wird immer betätigt. Ein zweites Einlassventil kann bei Bedarf dem ersten zugeschaltet werden. Eine voneinander unabhängige Betätigung der beiden Einlassventile ist nicht möglich.
  • Bei nockenlosen Motoren kann die Funktion der beiden Einlassventile die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffes verbessern und die Verbrennung verstärken. Jedoch kann angesammelter und unverbrannter Kraftstoff in der geschlossenen Öffnung einen unerwünschten Einfluss auf Emissionen haben.
  • Aus der EP 0 971 098 A1 ist eine mehrventilige, nockenlose Brennkraftmaschine mit einem pneumatischen oder hydraulischen Aktuator für ein Gaswechsel-Hubventil bekannt. Das Hubventil ist über einen in einer Steuerkammer beidseitig beaufschlagten Kolben steuerbar. Die Steuerräume beidseits des Kolbens sind über mittels Magnetventile gesteuerte Leitungen ver- bzw. entsorgt. Zur Erzielung hoher Schaltfrequenzen des Aktuators sind als Magnetventile elektromagnetisch gesteuerte Koaxialventile derart angeordnet, dass mittels jeweils einer einzigen Leitung zu jedem Steuerraum das Füllen und Leeren erfolgt.
  • Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Motore die Gemischbildung sowie die Bewegung der Füllung bei der Verbrennung insbesondere in nockenlosen Motoren zu verstärken durch Bereitstellung eines verbesserten Verbrennungssystems für einen Motor und einen guten Gasaustausch zu erzeugen, wobei der Motor eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Verwertung des Kraftstoffes gewährleistet und gleichzeitig unerwünschte Emissionen verringert.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
  • Die Lösung gemäß der vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren, ein System und eine Vorrichtung bereit, die eine Bildung von unverbranntem Kraftstoff in der geschlossenen Einlassöffnung von nockenlosen Motoren ausschließt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein mehrventiliger Motor mit zumindest zwei unabhängig voneinander betriebenen Einlassventilen in jedem Zylinder vorgesehen. Dadurch, dass das Öffnen eines Einlassventils im Verhältnis zu dem anderen verzögert oder vorverlegt wird, wird eine Turbulenzströmung mit hoher Wirbelung und Taumelbewegung in dem Brennraum erzeugt. Jedes der Einlassventile wird durch ein elektromechanisches Betätigungselement betätigt, das seinerseits von der Steuereinheit des Motors aktiviert wird.
  • In dem Lufteinlasskanal ist zwischen den beiden Einlassöffnungen und den Ventilelementen ein Umlenkelement oder eine Wand der Einlassöffnung angeordnet. In dem Umlenkelement ist ein Kanal oder eine Verbindungsbohrung vorgesehen, um Kraftstoff von der geschlossenen Öffnung in die geöffnete Öffnung zu übertragen.
  • Das System der vorliegenden Erfindung ist so flexibel, dass eine genaue Steuerung des Öffnens und Schließens der Einlassventile erzielt wird, um eine optimale Verbrennung des Kraftstoffes bei allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Das Öffnen und Schließen der Einlassventile wird durch die Steuereinheit des Motors verändert und ist von der Drehzahl und der Belastung des Motors abhängig.
  • Die Verbindungsbohrung oder der Kanal in dem Umlenk- oder Teilerelement erlaubt die gezielte und gelenkte Übertragung von Luft oder Luft und Kraftstoff von einer Ventil-Öffnung zur anderen, um die Nutzung und die Verbrennung des Kraftstoffes zu erhöhen und um unerwünschte Emissionen zu verringern.
  • Mit Hilfe einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung im Zusammenhang mit dem angewandten Verfahren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Flussbild, welches das gesamte System als Wirkverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 eine schematische Darstellung der verschiedenen Bauteile der vorliegenden Erfindung;
  • 3A, B, C den jeweiligen Betrieb der Einlassventile; und
  • 4A, B ein Umlenkelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Bildung von Wirbel- oder Taumelformen von Luft/Kraftstoffgemischen in Brennräumen ist wichtig, um die Brenngeschwindigkeit des Kraftstoffs in Motoren mit Funkenzündung (SI) zu erhöhen. Bei taumelnden Luftströmen wird die Bewegung um eine zur Längsachse des Kolbens und des Kolbenzylinders quer verlaufende Achse erzeugt. Luftströme mit einer Wirbelung umfassen die Erzeugung eines kreisförmigen oder rotierenden Musters des Luftstroms, der sich um eine Achse dreht, die parallel zur Längsachse des Kolbens und des Kolbenzylinders liegt.
  • In vielen Fällen geht die Erzeugung der Luftströme mit Taumel- und/oder Wirbelbewegung auf Kosten der Durchflusszahl, wodurch die Leistungsabgabe des Motors reduziert oder herabgesetzt wird. Die vorliegende Erfindung erzeugt Luftströme mit hoher Wirbelung und Taumelbewegung, indem die Arbeitsweise und das Öffnen eines Einlassventils im Verhältnis zu dem anderen in dem mehrventiligen Motor verzögert oder vorverlegt wird, wobei die Durchflusszahl nicht verschlechtert wird.
  • Bei Bedingungen unter Kleinlast liegen Drehzahl und Belastung des Motors auf einem von der Bedienperson des Motors oder des Fahrzeugs gewünschten niedrigeren Wert, wobei eine ausreichende Mischbewegung erzeugt wird, indem das eine oder das andere der Einlassventile wirkungslos gemacht wird. Die Ausführung der Einlassöffnung und des Einlassventils ist so konstruiert, dass maximale Brenngeschwindigkeiten des Kraftstoff-Luftgemisches erzeugt und somit der thermische Wirkungsgrad erhöht und unerwünschte Emissionen reduziert werden.
  • Bei Bedingungen unter Volllast, das heißt, wenn die maximale Drehzahl und Leistung des Motors erwünscht sind, wird die Steuerung der Ventile so vorgenommen, dass im Brennraum eine Durchflussmenge mit hoher Turbulenz erzeugt wird. Dies bringt die Leistungsabgabe des Motors auf ein Höchstmaß.
  • In 1 sind schematisch die Wirkverbindung der Bauteile und des Systems der vorliegenden Erfindung dargestellt, während in 2 eine schematische Darstellung der verschiedenen Bauteile des Systems gezeigt sind. Die 3A bis 3C stellen eine typische Arbeitsweise der Einlassventile dar.
  • Die vorliegende Erfindung reagiert auf die Anforderungen der Bedienperson auf die Beschleunigungseinrichtung 20, die ihrerseits ein Signal an die Steuereinheit (ECU) 30 des Motors sendet. Vorzugsweise wird das Gaspedal im Verhältnis zum Motor elektronisch wirksam geschaltet und ist somit Teil eines „drahtgebundenen" Antriebssystems. Zu diesem Zweck ist an dem Gaspedal 24 ein Federelement 22 befestigt, um für den Fuß 15 der Bedienperson des Motors eine fühlbare Rückkopplung bereitzustellen.
  • In den meisten Fällen wird die Bewegung des Gaspedals 24 in einem Gaspedal-Ansprechmechanismus 35 registriert, der die lineare Bewegung des Gaspedals zu einem geeigneten Signal 36 korreliert, das an die ECU 30 gesendet wird. Die ECU sendet ihrerseits geeignete Signale 38 an die elektromechanischen Betätigungselemente 40, mit denen die Einlassventile 50 betrieben werden.
  • Wie angegeben ist, wird die vorliegende Erfindung bei Mehrventil-Motoren genutzt. Dies sind Motoren, die zumindest zwei Einlassventile in jedem Zylinder des Motors aufweisen. In der schematischen Darstellung ist ein typischer Kolben 52 in einem Zylinder 54 eines Fahrzeugmotors 56 angeordnet. Die beiden Einlassventile 50 und 50' sind an der Übergangsfläche des Lufteinlasskanals 58 und des Zylinders 54 angeordnet. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (nicht gezeigt) wird verwendet, um Kraftstoff in den Brennraum 60 des Zylinders 54 entweder in und durch die Lufteinlasskanäle oder direkt in den Brennraum einzuleiten. Im Zylinder 54 ist eine Zündkerze (nicht dargestellt) angeordnet, um die notwendige Zündquelle für den in den Brennraum 60 eingeleiteten Kraftstoff bereitzustellen.
  • Die Menge von durch das Kraftstoffeinspritzelement in den Brennraum 60 eingespritztem Kraftstoff ist sowohl von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wie sie von der Bedienperson gewünscht wird, als auch von der sich ergebenden Belastung abhängig, die vom Motor gefordert wird, um diese Geschwindigkeit zu erreichen. Bei Bedingungen unter Kleinlast wird von den Kraftstoffeinspritzelementen ein kleineres Gas- oder Kraftstoffvolumen in den Brennraum eingespritzt, während bei höheren Belastungen größere Mengen Kraftstoff eingespritzt werden.
  • Die elektromechanischen Betätigungselemente 40 enthalten Magnetventilelemente 70, die genutzt werden, um die an den Enden der Einlassventilelemente 50 und 50' befestigten Magnetspulenelemente 72 in Längsrichtung wirksam zu machen. Es werden Spiralfederelemente 74 verwendet, um die Ventileinlasselemente 50 und 50' in ihre geschlossenen oder aufgesetzten Stellungen im Zylinderkopf vorzuspannen. In den geschlossenen oder aufgesetzten Stellungen lassen die Einlassventilelemente es nicht zu, dass im Einlasskanal 58 befindliche Luft in den Brennraum 60 eintritt.
  • Gemäß den 3A, 3B und 3C kann eines der Einlassventilelemente 50, 50' oder beide in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Belastung des Motors angehoben (geschlossen) oder abgesenkt (geöffnet) werden. In 3A ist das Einlassventilelement 50' geöffnet und lässt zu, dass aus dem Einlasskanal Luft in den Brennraum strömt, während das Einlassventilelement 50 in seiner geschlossenen oder aufgesetzten Stellung bleibt. Dies erzeugt in Abhängigkeit von der Größe, der Stellung und des Neigungswinkels des Lufteinlasskanals 58 ein besonderes Muster des Luftstroms im Brennraum 60.
  • In 3B befindet sich das Einlassventilelement 50 in seiner offenen Stellung, während sich das Einlassventilelement 50' in seiner geschlossenen oder aufgesetzten Stellung befindet. Diese Ausführung erzeugt eine andere Zustandsform des Luftstroms im Brennraum, die wiederum von der besonderen Größe und Ausführung des Lufteinlasskanals abhängig ist. Schließlich sind in 3C beide Einlassventile/Einlassventilelemente 50 und 50' in ihren offenen (abgesenkten) Zuständen gezeigt. Dies erlaubt es, dass die maximale Luftmenge in den Brennraum eintritt, was zu einer weiteren Zustandsform des Luftstroms im Brennraum führt.
  • Ferner kann eine zeitliche Abstimmung des Öffnens und Schließens der Ventilelemente im Verhältnis zueinander zusätzliche Luftströme im Brennraum erzeugen.
  • Um den geeigneten Luftstrom oder die geeignete Turbulenz im Brennraum zu bestimmen, wird der in Frage kommende spezielle Motor bewertet und analysiert. Das Öffnen und Schließen der Ventilelemente sowie der spezielle Öffnungsgrad und die spezielle Öffnungsfolge eines Ventilelements im Verhältnis zu dem anderen kann bestimmt werden, um die optimale Verbrennung des Kraftstoffes im Brennraum bei allen Betriebsbedingungen des Motors zu erreichen. In dieser Hinsicht wird jeder Motor in Bezug auf die Motordrehzahl und Belastung geeicht, um die optimale Verbrennung für alle Betriebsbedingungen zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ist so flexibel, dass die genaue Steuerung erzielt und bei allen Betriebsbedingungen die optimale Verbrennung jedes Motors gewährleistet wird.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird in erster Linie im Brennraum des Motors ein taumelnder Luftstrom gewährleistet. Jedoch weist der Luftstrom dazu außerdem ein Erscheinungsbild der Verwirbelung auf, die in den meisten Motoren auch benötigt wird, um eine zweckmäßige Turbulenz für eine optimale Verbrennung zu erzielen. In dieser Hinsicht kann das Öffnen von nur einem der beiden Einlassventilelemente 50, 50' einen Luftstrom mit kombinierter Verwirbelung und freiem Fall gewährleisten, während das gleichzeitige Öffnen beider Ventilelemente in erster Linie einen taumelnden Luftstrom erzeugen würde.
  • Ein mehrventiliger Motor mit unabhängig voneinander gesteuerten Ventilen, wie er gezeigt ist, weist zahlreiche Vorteile auf. Die Anzahl von Arbeitsventilen kann bei jeder vorgegebenen Drehzahl oder Belastung gewählt werden, um den Energieverbrauch und die Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Unter diesen Bedingungen ist es notwendig, den in beide Einlassöffnungen geleiteten Kraftstoff zu verteilen. In typischen mehrventiligen Motoren wird nur ein einziger Kraftstoffeinspritzmechanismus für jeden Zylinder des Motors verwendet. So ist es möglich, dass der in der wirkungslos gemachten Ventilöffnung befindliche Kraftstoff nicht in den Brennraum oder Motorzylinder eingeleitet wird, wenn eines der Einlassventilelemente während eines Zeitraums der wechselnden Betriebsart des Ventils abgeschaltet ist. Dies wiederum ändert das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis, insbesondere bei Belastungsübergängen des Motors. Dies kann außerdem Auswirkungen auf die vom Motor erzeugten Emissionen haben.
  • Ein Mechanismus zur Überwindung dieser Angelegenheit ist in den 4A und 4B dargestellt. Ein Teilerelement 100 an der Einlassöffnung liegt in dem Einlasskanal 110 und wird genutzt, um Luft in zwei Teilmengen oder Teilströme, einen für jede der beiden Einlassöffnungen A und B, zu teilen. Die Einlassventilelemente 50 und 50' sind in den beiden Einlassöffnungen angeordnet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Umlenk- oder Teilerelement 100 ein Luft/Kraftstoff-Austauschkanal 120 vorgesehen. Der Kanal oder die Verbindungsbohrung 120 zwischen den Einlassöffnungen A und B ist unmittelbar hinter den Einlassventilen angeordnet. Der Kanal oder die Verbindungsbohrung 120 ermöglicht, dass Kraftstoff, der sich in der wirkungslos gemachten (geschlossenen) Öffnung befindet, während des Ventilöffnens in die aktivierte (offene) Öffnung übertragen wird. Gemäß 4A befindet sich das Einlassventilelement 50 in seiner geschlossenen oder aufgesetzten Stellung, während das Einlassventilelement 50' offen ist. In diesem Zustand wird das Benzin, das in dem sich nach unten in den Einlasskanal 110 zur Öffnung A hin weiter bewegenden Luftstrom eingeschlossen ist und sich normalerweise durch die Öffnung A bewegen würde, durch die Verbindungsbohrung 120 in die Öffnung B des Einlasskanal 110 und zu dem offenen Einlassventilelement 50' hin umgelenkt. Der entgegengesetzte Zustand ist in 4B dargestellt, bei dem das Einlassventilelement 50 offen und das Einlassventilelement 50' geschlossen ist. In diesem Zustand werden Luft und Kraftstoff, die normalerweise durch die mit dem Einlassventilelement 50' verbundenen Öffnung in den Brennraum eintreten würden, durch die Verbindungsbohrung 120 in den Abschnitt des Einlasskanals 110 umgelenkt, die das offene Einlassventilelement 50 versorgt.
  • Die Übertragung von Luft und Kraftstoff von der einen Seite des Einlasskanal 110 zur anderen wird durch einen Druckunterschied hervorgerufen, der von dem Geschwindigkeitsgradienten der Luft über dem Kanal 120 erzeugt wird. Darüber hinaus ist es bei zweckmäßiger Auslegung des Kanals möglich, einen Düsenstrom in das offene Ventil einzuleiten, um das Strömungsfeld in dem Brennraum zu erzeugen und zu verstärken, so dass die Turbulenzbildung im Brennraum und die nachfolgende Verbrennung von Kraftstoff unterstützt werden.
  • Obwohl spezielle Ausführungen von Luftkanälen und Einlassventilelementen gezeigt sind, wird verständlich, dass die vorliegende Erfindung in jedem mehrventiligen Motor genutzt werden kann, der eine beliebige Form von Luftkanälen oder Einlassventilelementen aufweist. Außerdem sind die in den Zeichnungen dargestellten elektromechanischen Betätigungselemente 40 nur beispielhaft. Es kann jeder beliebige bekannte oder äquivalente Typ von Betätigungselementen zum Öffnen und Schließen der Einlassventilelemente genutzt werden, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf einen speziellen von ihnen beschränkt ist. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf Motore beschränkt, die „drahtgebundene" Gaspedalsysteme aufweisen. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem beliebigen Typ eines Gaspedalsystems genutzt werden, in welchem die Drehzahl und Belastung des Motors in Abhängigkeit der Bedürfnisse und Wünsche der Bedienperson des Fahrzeugs eingestellt werden.
  • Die Erfindung ist in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben worden, die für die Prinzipien der Erfindung beispielhaft sind. Die Verfahren und Vorrichtungen können zahlreiche Modifizierungen haben, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung gemäß den Patentansprüchen abzuweichen.

Claims (2)

  1. System zur Verstärkung der Gemischbildung und Bewegung der Füllung in einem Brennraum (60) eines mehrventiligen Motors, wobei der Motor einen Einlasskanal (110) und in dem Einlasskanal erste und zweite Einlassventilelemente (50, 50') aufweist, wobei jedes Ventilelement unabhängig voneinander durch ein Betätigungselement (40) aktiviert wird, und das System ein Teilerelement (100) aufweist, das in dem Einlasskanal (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Einlassventilelement (50, 50') angeordnet ist, und das Teilerelement (100) einen darin befindlichen Kanal (120) zum Übergang von Luft oder Luft und Kraftstoff von einer Seite (A, B) des Teilerelements zu der anderen (B, A) aufweist, wobei der Kanal (120) so gestaltet ist, dass der Mengenfluss von Luft oder Luft und Kraftstoff, um die Verbrennung in dem Brennraum (60) zu verstärken, direkt zu einem der beiden Einlassventilelemente (50, 50') lenkbar ist.
  2. Verfahren zur Verstärkung der Gemischbildung und Bewegung der Füllung in einem Brennraum (60) eines mehrventiligen Motors, wobei der Motor Einlasskanäle (110) und in jedem Einlasskanal mehrere Einlassventilelemente (50, 50') und zwischen den Einlassventilen ein Teilerelement (100) aufweist, wobei jedes Ventilelement unabhängig voneinander durch ein Betätigungselement (40) aktiviert wird, und dabei ein vorbestimmbarer Mengenstrom von Luft oder Luft und Kraftstoff zu jedem Einlassventilelement (50, 50') in Abhängigkeit von der Ventilöffnungsphase zeitweise nur zu dem gerade geöffneten Einlassventilelement (50, 50') durch einen im Teilerelement (100) befindlichen Kanal (120) umgelenkt wird.
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