DE102004003900A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem Kolben, der axial im Zylinder verschiebbar gelagert ist und einen Brennraum begrenzt, mit mindestens einem ersten mit einer Einlassöffnung ausgebildeten Einlassventil, das mit einem ersten Einlasskanal für eine Zuführung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum verbunden ist, mit mindestens einem Auslassventil und mit einem Abgasrückführungskanal, durch den Abgas in den Brennraum zugeführt wird.
- Es ist aus dem Stand der Technik bekannt aufgrund neuer, strengerer Abgasvorschriften und Verbrauchsanforderungen eine Abgasrückführung für Brennkraftmaschinen einzusetzen, die zu einer Emissionssenkung und/oder zu einer Minimierung des Kraftstoffverbrauches führt. Bei Dieselmotoren stellt die Abgasrückführung (AGR) in erster Linie ein wirksames Mittel zur Absenkung von Stickoxidemissionen dar. Durch Zumischen von Abgas zum Luft-Kraftstoff-Gemisch wird die Verbrennungsspitzentemperatur gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden reduziert. Beim Ottomotor wird durch die Beimischung von Abgas in den Brennraum eine Ladungsverdünnung erreicht, die zu einem entdrosselten Motorbetrieb und somit zur Minimierung des Kraftstoffverbrauches führt.
- In der
DE 198 16 267 A1 ist ein Flanschabschnitt eines Luftansaugkanalsystems für eine Brennkraftmaschine mit mehreren zu jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine führenden Luftansaugkanälen und mit einem integrierten Abgasrückführungskanal beschrieben, dessen Abgasdurchsatz von einem Stellelement steuerbar ist. Bei diesem Flanschabschnitt ist vorgesehen, dass der Abgasrückführungskanal über Einzelkanäle in die Luftansaugkanäle einmündet. Die Einzelkanäle werden von einer gemeinsamen Welle durchragt, die im Bereich der Einzelkanäle Abflachungen aufweist. Durch Drehen der Welle kann mit Hilfe der Abflachungen der Querschnitt der Einzelkanäle freigegeben oder versperrt und damit der Abgasanteil in der angesaugten Luft variiert werden. - Weiterhin ist in der
AT 003 762 U1 - In der
DE 196 22 891 C2 wird über eine Abgasführungsleitung und ein Abgasrückführungsventil eine bestimmte Menge an Abgas in die zu der Brennkraftmaschine führenden Ansaugleitung zurückgeführt. Zwischen dem äußeren Bereich der Ansaugleitung und den Brennräumen der Brennkraftmaschine befindet sich ein Saugluftverteiler, in dem das rückgeführte Abgas mit der zugeführten Ansaugluft vermischt wird. Von diesem Saugluftverteiler wird das Abgas über einzelne Ansaugleitungen den Brennräumen zugeführt. - Diese bekannten Lösungen weisen sehr viele Bauteile auf, was sowohl zu Bauraumproblemen als auch zu verhältnismäßig hohen Kosten führt. Einer der wesentlichen Nachteile ergibt sich des Weiteren, dass im Brennraum das Kraftstoff-Luft-Gemisch sich mit dem Abgas zu stark vermischt. Durch diese Vermischung ergibt sich der Nachteil, dass die Abgasrückführungs rate gering gehalten werden muss, weil ansonsten eine Verschlechterung der Verbrennung im Brennraum eintritt.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere Verbesserungsmöglichkeiten in Verbindung mit einer Abgasrückführung aufzuzeigen, mit der eine verbesserte Verbrennung im Brennraum erzielbar ist.
- Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine angegeben.
- Der erste Einlasskanal, in den der Abgasrückführungskanal mündet, ist derart ausgebildet, dass im Brennraum eine aus Luft oder dem Kraftstoff-Luft-Gemisch und dem Abgas sich zusammensetzende Drallströmung im wesentlichen um die Zylinderlängsachse sich ausbildet, wobei das Abgas im wesentlichen an der Zylinderwand strömt und die im Innern des Zylinders strömende Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch umschließt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Brennraum eine Strömung erzeugt, bei der das Kraftstoff-Luft-Gemisch und das Abgas weitestgehend getrennt sind. Eine derartige Schichtung der Strömung, die um die Zylinderlängsachse (Zylinderhochachse) rotiert, bewirkt, dass an der Zylinderwand des Brennraums das rückgeführte Abgas und in der Mitte des Brennraums das Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt. Besonders vorteilhaft ist, dass das entlang der Zylinderwand strömende Abgas sich im wesentlichen nicht an der Verbrennung beteiligt und somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht negativ beeinflusst. Erfindungsgemäß stellt sich eine schnelle Verbrennung von unverdünnter Ladung im Kern des Brennraumes ein, wobei gleichzeitig der Wärmeverlust über die Zylinderwand verringert werden kann. Das entlang der Zylinderwand strömende Abgas wirkt vorteilhafterweise wärmeisolierend, so dass zum einen durch die Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschine und zum anderen durch eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades durch die isolierende Wirkung des AGR an der Zylinderwand eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches erzielt werden kann.
- In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Einlasskanal einen ersten und einen zweiten Teilkanal, wobei der Abgasrückführungskanal schließbar mit dem zweiten Teilkanal verbunden ist. Hierbei kann der erste Einlasskanal einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den ersten Teilkanal und das Abgas durch den zweiten Teilkanal in Richtung des ersten Einlassventils geführt werden kann. Der erste Einlasskanal kann in einer Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch tangential in ein Zylindersegment um die Mitte des Brennraumes und das Abgas annähernd tangential zur Zylinderwand in den Brennraum strömt. Der erste und der zweite Teilkanal können durch eine Zwischenwand voneinander getrennt sein, die beispielsweise aus einem Blech ausgebildet sein kann.
- Die erfindungsgemäße geschichtete Drallströmung um die Zylinderhochachse findet jedoch nur bei Teillast der Brennkraftmaschine statt, da bei Volllast eine Zuführung des Abgases in den Brennraum nicht erfolgt. Die Erfindung ist ferner auf Brennkraftmaschinen, sowohl Ottomotoren mit und ohne Direkteinspritzung als auch auf Dieselmotoren anwendbar, bei denen der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingedüst wird und durch den ersten Einlasskanal Luft und das Abgas separat in den Brennraum geführt wird. Selbstverständlich bezieht sich die Erfindung auf Brennkraftmaschinen, bei denen eine Kraftstoffeinspritzung bereits im Einlasskanal erfolgt (Saugrohreinspritzung). Hierbei wird durch den Einlasskanal das Abgas und das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum geleitet.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen
-
1 einen Zylinder einer Brennkraftmaschine in Einem Teillastbetrieb, -
2 den Zylinder gemäß1 in einem Volllastbetrieb, -
3 eine Schnittansicht des Zylinders aus1 und -
4 eine Schnittansicht des Zylinders aus2 . -
1 zeigt einen Zylinder1 mit vier Ventilen5 ,16 ,20 ,21 , und zwar ein erstes5 und ein zweites Einlassventil16 sowie zwei Auslassventile20 ,21 . Mittig zu den Ventilen5 ,16 ,20 ,21 ist eine Zündkerze19 angeordnet, die in den Brennraum3 hineinragt. Der erste Einlasskanal6 weist einen gekrümmten Verlauf in Richtung des ersten Einlassventils5 auf, welches mit einer Einlassöffnung4 ausgebildet ist. Der bogenförmig sich erstreckende erste Einlasskanal6 umfasst einen ersten8 und einen zweiten Teilkanal9 , die durch eine Zwischenwand10 voneinander getrennt sind. Entsprechend dem Verlauf des ersten Einlasskanals6 sind auch der erste und der zweite Teilkanal8 ,9 bogenförmig ausgebildet, wobei der zweite Teilkanal9 mit dem Abgasrückführungskanal7 verschließbar verbunden ist. Am ersten Einlasskanal6 beziehungsweise am Abgasrückführungskanal7 ist ein Durchflussregelelement14 angeordnet, welches in der dargestellten Ausführungsform als eine um eine Drehachse gelagerte Klappe ausgebildet ist. - Das zweite Einlassventil
16 , welches mit einer Einlassöffnung15 ausgebildet ist, ist mit einem zweiten Einlasskanal16 verbunden, an dem ein Durchflussregelelement18 angeordnet ist. Wie das am ersten Einlasskanal6 angeordnete Durchflussregelelement14 ist auch das Durchflussregelelement18 als Klappe ausgebildet, die in Abhängigkeit zur ihrer Stellung einen Fluiddurchfluss durch den zweiten Einlasskanal17 regelt. Im Gegensatz zum ersten Einlasskanal6 weist der zweite Einlasskanal17 einen geraden Verlauf in Richtung des zweiten Einlassventils16 auf. Im dargestellten Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist das Durchflussregelelement18 weitestgehend geschlossen, so dass keine oder nur eine sehr geringe Strömung durch den gerade verlaufenden zweiten Einlasskanal17 erfolgt. Das Durchflussregelelement14 ist hingegen am ersten Einlasskanal6 in einer Offenstellung, wodurch Abgas11 durch den Abgasrückführungskanal7 in den zweiten Teilkanal9 strömen kann. Im ersten Teilkanal8 strömt separat zum zweiten Teilkanal9 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch12 in Richtung des ersten Einlassventils5 . Das Durchflussregelelement14 , das das Verhältnis der Zumischung von Abgas11 zum Kraftstoff-Luft-Gemisch12 regelt, so dass auf ein externes Abgas-Ventil verzichtet werden kann, weist hierbei eine derartige Stellung auf, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch12 lediglich durch den ersten Teilkanal8 strömen kann und nicht sich mit dem Abgasstrom im zweiten Teilkanal9 vermischen kann. Durch eine zylinderindividuelle Regelung des Durchflussregelelementes14 kann die Zumischung von Abgas11 in den Brennraum3 zylinderselektiv erfolgen. Wie1 besonders deutlich zeigt, verschließt die Klappe14 den zweiten Teilkanal9 stromauf der Mündung des Abgasrückführungskanals7 . Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im ersten und/oder im zweiten Einlasskanal6 ,17 , das exemplarisch nicht dargestellt ist. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann durchaus eine Einbringung des Kraftstoffes als Direkteinspritzung direkt in den Brennraum3 erfolgen. - Strömt nun das getrennt geführte Abgas
11 sowie das Kraftstoff-Luft-Gemisch12 durch die Einlassöffnung4 in den Brennraum3 des Zylinders1 , entsteht eine geschichtete Drallströmung, die im wesentlichen um die Zylinderlängsachse13 zirkuliert. Wie1 und3 besonders verdeutlichen strömt das Abgas11 im wesentlichen an der Zylinderwand und umschließt das im Innern des Zylinders1 strömende Kraftstoff-Luft-Gemisch12 . Aufgrund des geeignet gekrümmten ersten Einlasskanals6 entsteht im Brennraum3 eine aus dem einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisch12 und dem einströmenden Abgas11 sich zusammensetzende Drallströmung, die insbesondere eine verbesserte Verbrennung im Zylinder1 erzielt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch12 strömt über den ersten Teilkanal8 annähernd tangential in ein Zylindersegment um die Mitte des Brennraumes3 (Drallströmung), und das Abgas11 weist beim Eintritt durch die Einlassöffnung4 eine Strömungsrichtung auf, die annähernd tangential zur Zylinderwand verläuft. - Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass bei einer Bewegung des Kolbens
2 in Richtung der Zylinderlängsachse13 die sich ausbildende Drallströmung innerhalb des Brennraumes3 nicht wesentlich gestört wird. Bewegt sich beispielsweise der Kolben2 in Richtung der Zündkerze19 , wird lediglich die geschichtete Drallströmung komprimiert, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Drallströmung eventuell zusammenbricht, welches beispielsweise bei einer Tumbleströmung leicht entstehen kann, die im wesentlichen senkrecht auf die Zylinderquerschnittsfläche walzenförmig ausgebildet ist. -
2 sowie4 zeigen die Brennkraftmaschine mit dem Zylinder1 im Volllastbetrieb. Hierbei befindet sich das Durchflussregelelement14 in einer Schließstellung und das Durchflussregelelement18 in einer Offenstellung. Durch den zweiten Einlasskanal17 strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch12 über das zweite Einlassventil16 in den Brennraum3 hinein. Über den ersten Einlasskanal6 erfolgt ebenfalls eine Versorgung des Brennraumes3 mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch12 , wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch12 sowohl über den ersten8 als auch über den zweiten Teilkanal9 durch die Einlassöffnung4 in den Brennraum3 gelangt. Im Brennraum3 bildet sich somit ein homogenes, brennbares Gemisch, wodurch im Volllastbetrieb eine weitestgehend vollständige, stabile und schnelle Verbrennung erfolgen kann. - Das Durchflussregelelement
14 des ersten Einlasskanals6 sowie das Durchflussregelelement18 des zweiten Einlasskanals17 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel elektronisch regel- und/oder steuerbar. Alternativ dazu ist eine hydraulische oder pneumatische Steuerung ebenfalls möglich. - Durch die separate Führung des Abgases
11 und des Kraftstoff-Luft-Gemisches12 innerhalb des ersten Einlasskanals6 sowie durch dessen erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass das Abgas11 weitestgehend sich nicht an der Verbrennung beteiligen kann, wodurch insbesondere eine verbesserte Verbrennung entsteht und darüber hinaus die Abgasrückführrate gegenüber konventionellen Systemen erhöht werden kann. -
- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Brennraum
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Erstes Einlassventil
- 6
- Erster Einlasskanal
- 7
- Abgasrückführungskanal
- 8
- Erster Teilkanal
- 9
- Zweiter Teilkanal
- 10
- Zwischenwand
- 11
- Abgas
- 12
- Kraftstoff-Luft-Gemisch
- 13
- Zylinderlängsachse
- 14
- Durchflussregelelement am ersten Einlasskanal
- 15
- Einlassöffnung
- 16
- Zweites Einlassventil
- 17
- Zweiter Einlasskanal
- 18
- Durchflussregelelement am zweiten Einlasskanal
- 19
- Zündkerze
- 20
- Auslassventil
- 21
- Auslassventil
Claims (11)
- Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (
1 ) und einem Kolben (2 ), der axial im Zylinder (1 ) verschiebbar gelagert ist und einen Brennraum (3 ) begrenzt, mit mindestens einem ersten mit einer Einlassöffnung (4 ) ausgebildeten Einlassventil (5 ), das mit einem ersten Einlasskanal (6 ) für eine Zuführung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches (12 ) in den Brennraum (3 ) verbunden ist, mit mindestens einem Auslassventil (20 ,21 ) und mit einem Abgasrückführungskanal (7 ), durch den Abgas (11 ) in den Brennraum (3 ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlasskanal (6 ), in den der Abgasrückführungskanal (7 ) mündet, derart ausgebildet ist, dass im Brennraum (3 ) eine aus der Luft oder dem Kraftstoff-Luft-Gemisch (12 ) und dem Abgas (11 ) sich zusammensetzende Drallströmung im wesentlichen um die Zylinderlängsachse (13 ) sich ausbildet, wobei das Abgas (11 ) im wesentlichen an der Zylinderwand strömt und die im Innern des Zylinders (1 ) strömende Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch (12 ) umschließt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlasskanal (
6 ) einen ersten (8 ) und einen zweiten Teilkanal (9 ) umfasst und der Abgasrückführungskanal (7 ) schließbar mit dem zweiten Teilkanal (9 ) verbunden ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlasskanal (
6 ) ein Durchflussregelelement (14 ) aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlasskanal (
6 ) einen gekrümmten Verlauf aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (
8 ) und der zweite Teilkanal (9 ) durch eine Zwischenwand (10 ) voneinander getrennt sind. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetrieb Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch (
12 ) durch den ersten Teilkanal (8 ) und das Abgas (11 ) durch den zweiten Teilkanal (9 ) in Richtung des ersten Einlassventils (5 ) geführt werden, wobei der erste Einlasskanal (6 ) derart ausgebildet ist, dass die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch (12 ) annähernd zur Mitte des Brennraumes (3 ) und das Abgas (11 ) annähernd tangential zur Zylinderwand in den Brennraum (3 ) strömt. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit einer Einlassöffnung (
15 ) ausgebildetes zweites Einlassventil (16 ), das mit einem zweiten Einlasskanal (17 ) verbunden ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlasskanal (
17 ) ein Durchflussregelelement (18 ) aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussregelelement (
14 ,18 ) pneumatisch oder elektronisch oder hydraulisch regel- und/oder steuerbar ist. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlasskanal (
17 ) einen geraden Verlauf aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volllastbetrieb das Durchflussregelelement (
14 ) des ersten Ein lasskanals (6 ) in einer Schließstellung und das Durchflussregelelement (18 ) des zweiten Einlasskanals (17 ) in einer Offenstellung sich befindet, so dass Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch (12 ) durch den ersten (8 ) und den zweiten Teilkanal (9 ) und durch den zweiten Einlasskanal (17 ) in Richtung Brennraum (3 ) strömt.
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