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Die
Erfindung betrifft Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, insbesondere
eines Kraftfahrzeuges, mit einer Einspritzvorrichtung für Kraftstoff,
welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese den Kraftstoff
direkt in einen Brennraum von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine
einspritzt, mit einem Ansaugkanal, welcher von einem Trennblech
in eine erste und eine zweite Kanalhälfte unterteilt ist, und mit
wenigstens einem Einlassventil pro Arbeitszylinder, welches stromab
des Trennbleches angeordnet ist, wobei das Trennblech wenigstens
eine die Kanalhälften
miteinander verbindende Öffnung
aufweist, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Benzinmotoren
mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, d. h.
nicht in den Ansaugtrakt, leiden besonders an dem Problem der Bauteilverkokung.
Eine Verkokung tritt besonders an der Ventilkehlung von Einlassventilen
auf. Eine genauere Analyse, wie es zu dieser Verkokung kommt gibt
folgendes Ergebnis: Zuerst bilden Öl- und Kraftstoffkomponenten einen klebrigen
Belag auf den Bauteilen. Dabei handelt es sich vorrangig um langkettige
und verzweigte Kohlenwasserstoffe, d. h. die schwer flüchtigen
Komponenten von Öl
und Kraftstoff. Aromaten kleben hierbei besonders gut. Dieser klebrige
Grundbelag dient als Grundlage für
die Anlagerung von Russpartikeln. Dadurch entsteht eine poröse Oberfläche, in
die sich wiederum Öl-
und Kraftstoffkomponenten einlagern. Dieser Vorgang stellt einen
Kreisprozess dar, durch den die Schichtdicke der Verkokung ständig zunimmt.
Vor allem im Bereich der Einlassventile stammen die Ablagerungen
aus Blow-By-Gasen sowie innerer und externer Abgasrückführung, wobei
die Blow-By-Gase sowie das zurückgeführte Abgas
mit dem Einlassventil direkt in Berührung kommt.
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Insbesondere
im Bereich der Ventilkehlung der Einlassventile ist eine übermäßige Verkokung aus
folgenden Gründen äußerst negativ:
Bei Otto-Direkteinspritzern ist die erfolgreiche Entflammung der geschichteten
Ladung erheblich von einer korrekten Ausbildung der Zylinderinnenströmung abhängig, die für einen
sicheren Transport des eingespritzten Kraftstoffes zur Zündkerze
sorgt, um dort eine sichere Entflammung zu gewährleisten. Ein Verkokungsbelag
des Einlassventils im Bereich der Ventilkehlung kann jedoch die
Tumbleströmung
ggf. so stark stören,
dass es als Folge davon zu Zündaussetzern kommt.
Diese können
jedoch u. U. zu einer irreversiblen Schädigung eines im Abgastrakt
angeordneten Katalysators zur Abgasreinigung führen. Ferner bildet der Verkokungsbelag
des Einlassventils im Bereich der Ventilkehlung einen Strömungswiderstand aus,
der besonders im oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine
zu erheblichen Leistungsverlusten aufgrund unzureichender Zylinderfüllung führen kann.
Des Weiteren verhindert der Verkokungsbelag des Einlassventils im
Bereich der Ventilkehlung ggf. einen korrekten Ventilschluss, so
dass es zu Kompressionsverlusten und damit sporadischen Zündaussetzern
kommt. Wiederum könnte
dadurch der Katalysator irreversibel geschädigt werden. Von dem Verkokungsbelag
des Einlassventils im Bereich der Ventilkehlung können sich
ggf. kleine Partikel lösen
und in den Katalysator gelangen. Dort sind diese heißen Partikel
ggf. Ursache für
Sekundärreaktionen
mit entsprechender lokaler Schädigung des
Katalysators. Beispielsweise brennt sich ein Loch in die Katalysatorstruktur.
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Insbesondere
am Ventilschaft stromab eines Trennbleches im Einlasskanal zeigen
sich kugelförmige
Ablagerungen. Durch das Abtropfen von schwer siedenden Kohlenwasserstoffen
von dem Trennblech gegen den Ventilhals bzw. Ventilschaft bauen
sich dort mit der Zeit kugelförmige
Verkokungen nach dem zuvor erläuterten
Ablauf auf. Diese Ablagerungen am Ventilschaft können durch unerwünschte Verwirbelungen
und turbulente Strömungen
um die kugelige Verkokung Strömungsdefizite zur
Folge haben. Eine Ausbildung der stabilen Tumbleströmung von
Zyklus zu Zyklus ist dadurch ggf. nachhaltig gestört.
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Eine
nahe liegende Lösung
wäre, diese Quellen
für Ablagerungen
beispielsweise vom Einlassventil dadurch fern zu halten dass man
auf die Einleitung von Blow-By-Gasen in den Ansaugtrakt sowie auf
eine Abgasrückführung ganz
verzichtet. Jedoch ist bei den Brennverfahren von modernen Hubkolbenbrennkraftmaschinen
aus Emissions- und Verbrauchsgründen
zumindest eine externe Abgasrückführung sowie
das Einleiten von Blow-By-Gasen in den Ansaugtrakt zwingend erforderlich,
so dass dieser Ansatz nicht möglich
ist.
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Aus
der
US 4 809 662 ist
es bekannt, einen Zündzeitpunkt
soweit vor zu verstellen, dass sich eine erhöhte Temperatur im Brennraum
ergibt, so dass dieser von Ablagerungen gereinigt wird.
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Die
EP 0 785 350 A2 beschreibt
eine Kühlmaßnahme für eine Austrittsöffnung einer
Kraftstoffeinspritzung, um Ablagerungen an der Einspritzöffnung zu
verhindern. In ähnlicher
Weise ist es aus der
DE
197 47 268 A1 bekannt, durch Einspritzen von Zusatzflüssigkeit
einen Düsenkörper der
Einspritzdüse
zu kühlen,
was einer Verkokung der Düsenbohrung
entgegen wirken soll.
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Um
Ablagerungen an der Einspritzdüse
zu verhindern ist es aus der
EP 0 798 560 A1 bekannt, auf einer Düsenhalteroberfläche etwas
Kraftstoff zu halten.
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Mit
einer Verhinderung der Verkokung der Zündkerze beschäftigt sich
die
DE 197 56 119
A1 . Hierzu wird von einem Steuergerät die Einspritzung von Kraftstoff
vor der Entzündung
desselben beendet. Dies soll die Verkokung der Zündkerze insbesondere beim Starten
der Brennkraftmaschine vermeiden. In der
DE 199 11 023 A1 wird zur
Vermeidung der Verkokung der Zündkerze
der Kraftstoff derart kegelförmig
eingespritzt, dass eine Benetzung der Zündkerze mit Kraftstoff vermieden
ist. Die
US 5 913 302 beschreibt
eine Reinigungsstrategie für
eine Zündkerze
einer Zweitakt-Brennkraftmaschine.
Hierzu wird eine Zünddauer
kurzfristig verlängert,
wodurch Kohlenstoffablagerungen an der Zündkerze abgebaut werden.
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Die
US 4 703 734 beschreibt
eine Ventilüberschneidung
und ein sequentielles Öffnen
von Einlassventilen für
den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen sowie für den Betrieb bei hohen Drehzahlen,
um die Ausbildung von Kohlenstoffablagerungen zu verhindern.
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Aus
der
DE 31 33 223 A1 ist
ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem Brennraum- sowie Ansaugrohrwandungen, welche in
Kontakt mit dem zu zündenden
Kraftstoff-Luft-Gemisch
bzw. Verbrennungsgasen kommen, mit einem derartigen Material beschichtet
sind, dass sich an diesen beschichteten Wandungen im Betrieb der
Brennkraftmaschine derart hohe Temperaturen einstellen, dass eine
Bildung von Ablagerung verhindert ist. Gleichzeitig ist jedoch die
Wärmekapazität derart
niedrig gehalten, dass die beschichtete Wandung eine Temperatur
von während
der Ansaug- und Kompressionstakte ankommendem Kraftstoff-Luft-Gemisch
nicht wesentlich erhöhen.
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Ferner
ist es bei direkteinspritzenden Benzinmotoren besonders wichtig,
dass in jedem Betriebspunkt korrekte Strömungsverhältnisse in den Arbeitszylindern
vorherrschen, damit das zündfähige Benzin-Luft-Gemisch
an die korrekte Stelle nahe der Zündkerze transportiert wird.
Hierzu dient eine mittels des Trennbleches erzeugte Tumbleströmung. Das
Trennblech teil den Ansaugkanal in zwei Kanalhälften. In bestimmten Betriebssituationen
ist es zum Aufrechterhalten korrekter Strömungsverhältnisse erforderlich, eine
Kanalhälfte
mittels einer Ladungsbewegungsklappe stromauf des Trennbleches zu verschließen. Hierbei
kann es jedoch in unerwünschter
Weise dazu kommen, dass sich die geschlossene Ladungsbewegungsklappe
im Saugtakt des entsprechenden Zylinders in Abhängigkeit vom angesaugten Luftstrom
u. a. aufgrund einer Druckdifferenz vor und hinter der Ladungsbewegungsklappe öffnet. Dies
hat entsprechende nachteilige Auswirkungen auf die Zylinderinnenströmung.
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Die
gattungsbildende Druckschrift
DE 101 34 114 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine,
insbesondere Ottomotor, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit
einer Einspritzvorrichtung für
Kraftstoff, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese
den Kraftstoff direkt in einen Brennraum von Arbeitszylindern der
Brennkraftmaschine einspritzt, mit einem Ansaugkanal, welcher von
einem Trennblech in zwei Kanalhälften
unterteilt ist, und mit wenigstens einem Einlassventil pro Arbeitszylinder,
welches stromab des Trennbleches angeordnet ist. Hierbei weist das
Trennblech wenigstens eine die Kanalhälften miteinander verbindende Öffnung auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der
obengenannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine übermäßige Verkokung
von Bauteilen der Brennkraftmaschine, wie dem Einlassventil, verhindert
ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Strömung im Ansaugkanal
in geeigneter Weise zu beeinflussen, um einen funktionssicheren
und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Trennblech im Bereich der Öffnung eine Strömungsleiteinrichtung
aufweist, welche einen Teil der Strömung im Ansaugkanal von einer
Kanalhälfte
durch die Öffnung
zu der anderen Kanalhälfte
leitet.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine gezielte Umlenkung von Teilen der Ansaugluft
im Einlasskanal möglich
ist. Wenn im oberen Lastbereich des Motors, insbesondere bei Volllast,
die Ladungsbewegungsklappe geöffnet
ist, dann wird die Verteilung der angesaugten Luftmasse oberhalb
bzw. unterhalb des Tumblebleches vergleichmäßigt. Ist die Luftmasse oberhalb/unterhalb
des Tumblebleches ungleich dem Eintritt in den Zylinderkopf (in
Strömungsrichtung
vor der Öffnung
im Tumbleblech), so führt
die Erfindung zu einer Angleichung der Luftmasse oberhalb/unterhalb
des Tumblebleches in Strömungsrichtung
nach der Öffnung.
Dies erzielt sinkende Strömungswiderstände vor
dem Einlassventil, mehr Luftfüllung
im Zylinder und höhere
Volllastwerte.
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Beispielsweise
ist die Strömungsleiteinrichtung
einstückig
mit dem Trennblech ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist die Öffnung
derart ausgebildet, dass diese senkrecht zur Strömungsrichtung eine vorbestimmte
Breite aufweist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist das Trennblech wenigstens eine Ausstanzung auf, welche sowohl
die Öffnung
als auch die Strömungsleiteinrichtung
ausbildet.
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Bevorzugt
ist stromauf des Trennbleches eine Ladungsbewegungsklappe angeordnet,
welche die erste Kanalhälfte
wahlweise verschließt.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens
eine Strömungsleiteinrichtung
derart ausgebildet und angeordnet, dass sie einen Teil der Strömung im
Ansaugkanal von der ersten Kanalhälfte in die zweite Kanalhälfte leitet und/oder
ist wenigstens eine Strömungsleiteinrichtung
derart ausgebildet und angeordnet, dass sie einen Teil der Strömung im
Ansaugkanal von der zweiten Kanalhälfte in die erste Kanalhälfte leitet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform
eines Trennbleches einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer
Schnittansicht,
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2 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
eines Trennbleches einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer
Schnittansicht und
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3 eine
dritte bevorzugte Ausführungsform
eines Trennbleches einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer
Schnittansicht.
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1 zeigt
schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors mit einem Ansaugkanal 10, welcher
von einem Trennblech 12 in eine erste Kanalhälfte 14 und eine
zweite Kanalhälfte 16 getrennt
ist. Stromab des Trennbleches 12 ist ein Einlassventil 18 vorgesehen, welches
wahlweise eine Verbindung zwischen einem Brennraum 20 und
dem Ansaugkanal 10 öffnet
oder schließt.
Das Einlassventil 18 umfasst einen Ventilschaft 22 und
einen Ventilteller 24. Letzterer liegt im geschlossenen
Zustand dichtend an einem Sitzring an. Eine in 1 nicht
dargestellte Nockenwelle betätigt über einen
entsprechenden Nocken das Einlassventil 18.
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Eine
nicht dargestellte Einspritzvorrichtung für Kraftstoff ist derart angeordnet,
dass diese den Kraftstoff direkt in den Brennraum 20 einspritzt.
Es handelt sich somit bei der dargestellten Brennkraftmaschine um
einen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Der Ansaugkanal 10 mit
dem Trennblech 12 und dem Einlassventil 18 ist
derart ausgebildet, dass sich beim Einströmen von Luft aus dem Ansaugkanal 20 in
den Brennraum 20 eine Tumbleströmung einstellt. Zusammen mit
der Einspritzvorrichtung des Kraftstoffes wird in einem Verdichtungstakt
ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch
zu einer nicht dargestellten Zündkerze
transportiert. Diese zündet
das Kraftstoff-Luft-Gemisch und es wird über einen nicht dargestellten
Kolben Arbeit geleistet. Anschließend wird entsprechend entstandenes
Abgas über
ein nicht dargestelltes Auslassventil und einen nicht dargestellten
Abgaskanal abgeleitet.
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Das
Trennblech 12 weist eine sich quer zur Strömungsrichtung
im Ansaugkanal 10 sowie senkrecht zur Zeichnungsebene von 1,
d. h. in Richtung der Breite des Trennbleches, erstreckende Öffnung 26 auf,
welche im Bereich des Trennbleches 12 die erste Kanalhälfte 14 und
die zweite Kanalhälfte 16 miteinander
verbindet. Sofern auf dem Trennblech 12 Ablagerungen kondensieren,
welche dann von der Strömung
auf dem Trennblech 12 in Richtung Einlassventil 18 transportiert
werden, fallen diese Ablagerungen durch die Öffnung 26 vom zweiten
Kanal 16 in den ersten Kanal 14 und können ungehindert, d.
h. ohne dass der Ventilschaft 22 als Hindernis wirkt und
sich die Ablagerungen am Ventilschaft 22 ablagern, in den
Brennraum gelangen. Zusätzlich
ist das Trennblech 12 derart ausgebildet, dass es im Bereich der Öffnung 26 eine
Strömungsleiteinrichtung 28 aufweist,
welche einen Teil der Strömung 30 im
Ansaugkanal 10 von der zweiten Kanalhälfte 16 durch die Öffnung in
die erste Kanalhälfte 14 leitet.
Die Strömungsleiteinrichtung 28 ist
dabei derart ausgebildet, dass sie aus der Ebene des Trennbleches 12 heraus und
in die Strömung 30 der
Ansaugluft im Ansaugkanal 10 hinein ragt. Hierdurch ist
das Trennblech 12 wie ein "Käsehobel" ausgebildet. Die
Strömungsleiteinrichtung 28 ist
dabei einstückig
mit dem Trennblech 12 ausgebildet. Hierzu ist das Trennblech 12 beispielsweise
in einem vorbestimmten Bereich mit einer Ausstanzung versehen, die
einstückig
mit dem Trennblech 12 sowohl die Öffnung 26 als auch
die Strömungsleiteinrichtung 28 ausgebildet.
Durch das Herausragen der Strömungsleiteinrichtung 28 aus der
Ebene des Trennbleches 12 heraus, weist die Öffnung 26 in
Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 34 bzw.
senkrecht zu einer Längsmittelachse
des Ansaugkanals 10 und in Richtung senkrecht zur Ebene
des Trennbleches 12 eine vorbestimmte Breite auf. Über diese
Breite der Öffnung 26 ist
der Anteil der Ansaugluft 30, welcher von der ersten Kanalhälfte 14 durch
die Öffnung 26 hindurch
in die zweite Kanalhälfte 16 umgeleitet
wird, einstellbar.
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Wie
weiterhin aus 1 ersichtlich, ist zum wahlweise
Verschließen
der ersten Kanalhälfte 14 in bestimmten
Betriebssituationen der Brennkraftmaschine zum sicherstellen einer
korrekten Zylinderinnenströmung
eine Ladungsbewegungsklappe 32 vorgesehen. In 1 ist
die Ladungsbewegungsklappe 32 in Schließstellung dargestellt. Durch
die Öffnung 26 stellt
sich ein Druckausgleich zwischen der zweiten Kanalhälfte 16 und
der ersten Kanalhälfte 14 ein,
so dass sich stromab der Ladungsbewegungsklappe 32 kein
das Verschließen
der ersten Kanalhälfte 14 beeinträchtigender
Unterdruck aufbauen kann. Gleichzeitig unterstützt die Teilströmung von der
zweiten Kanalhälfte 16 durch
die Öffnung 26 hindurch
in die erste Kanalhälfte 14 ein
Mitreißen
von Ablagerungen in die erste Kanalhälfte 14 hinein.
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2 zeigt
schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors, wobei funktionsgleiche
Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, wie in 1,
sodass zu deren Erläuterungen
auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen
wird. Hierbei ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 die
Strömungsleiteinrichtung 28 derart
angeordnet und ausgebildet, dass sie einen Teil der Strömung 30 im
Ansaugkanal 10 von der ersten Kanalhälfte 14 in die zweite
Kanalhälfte 16 leitet.
In 2 ist die Ladungsbewegungsklappe 32 in
geöffneter
Stellung dargestellt. Die Strömungsleiteinrichtung 28 ist
stromab der Öffnung 26 abgerundet
ausgebildet, um einen möglichst
verwirbelungsfreien Verlauf der Strömung nach der Öffnung 26 zu
gewährleisten.
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3 zeigt
schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors, wobei funktionsgleiche
Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, wie in 1 und 2, sodass
zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 und 2 verwiesen
wird. Bei dieser dritten Ausführungsform
ist das Trennblech 12 mit mehreren Öffnung 26 mit jeweiliger Strömungsleiteinrichtung 28 gemäß der zweiten
Ausführungsform
von 2 ausgebildet, die in Strömungsrichtung 34 gesehen
kaskadenartig hintereinander angeordnet sind. Hierdurch ist das
Trennblech 12 wie eine "Hobelkaskade" ausgebildet. In 3 ist
die Ladungsbewegungsklappe 32 in geöffneter Stellung dargestellt.