DE102004003900A1

DE102004003900A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004003900A1
Application number: DE102004003900A
Authority: DE
Inventors: Peter Gebhard
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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 ener 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. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der erste Einlasskanal (6), in den der Abgasrückführungskanal (7) mündet, derart ausgebildet, 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.

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 ein Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem im Bereich der Einmündung der Abgasrückführungsleitung in den Einlasskanal die Abgasrückführungsleitung durch eine Klappe verschließbar ist. Dieses Einlasssystem ist in einem Flanschteil angeordnet und weist für jeden Einlasskanal eine Einmündung für eine Abgasrückführungsleitung mit einer schwenkbaren Klappe zum Steuern des Durchflusses auf.

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 gemäß 1 in einem Volllastbetrieb,
3 eine Schnittansicht des Zylinders aus 1 und
4 eine Schnittansicht des Zylinders aus 2.
1 zeigt einen Zylinder 1 mit vier Ventilen 5,16,20,21, und zwar ein erstes 5 und ein zweites Einlassventil 16 sowie zwei Auslassventile 20, 21. Mittig zu den Ventilen 5, 16, 20, 21 ist eine Zündkerze 19 angeordnet, die in den Brennraum 3 hineinragt. Der erste Einlasskanal 6 weist einen gekrümmten Verlauf in Richtung des ersten Einlassventils 5 auf, welches mit einer Einlassöffnung 4 ausgebildet ist. Der bogenförmig sich erstreckende erste Einlasskanal 6 umfasst einen ersten 8 und einen zweiten Teilkanal 9, die durch eine Zwischenwand 10 voneinander getrennt sind. Entsprechend dem Verlauf des ersten Einlasskanals 6 sind auch der erste und der zweite Teilkanal 8, 9 bogenförmig ausgebildet, wobei der zweite Teilkanal 9 mit dem Abgasrückführungskanal 7 verschließbar verbunden ist. Am ersten Einlasskanal 6 beziehungsweise am Abgasrückführungskanal 7 ist ein Durchflussregelelement 14 angeordnet, welches in der dargestellten Ausführungsform als eine um eine Drehachse gelagerte Klappe ausgebildet ist.
Das zweite Einlassventil 16, welches mit einer Einlassöffnung 15 ausgebildet ist, ist mit einem zweiten Einlasskanal 16 verbunden, an dem ein Durchflussregelelement 18 angeordnet ist. Wie das am ersten Einlasskanal 6 angeordnete Durchflussregelelement 14 ist auch das Durchflussregelelement 18 als Klappe ausgebildet, die in Abhängigkeit zur ihrer Stellung einen Fluiddurchfluss durch den zweiten Einlasskanal 17 regelt. Im Gegensatz zum ersten Einlasskanal 6 weist der zweite Einlasskanal 17 einen geraden Verlauf in Richtung des zweiten Einlassventils 16 auf. Im dargestellten Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ist das Durchflussregelelement 18 weitestgehend geschlossen, so dass keine oder nur eine sehr geringe Strömung durch den gerade verlaufenden zweiten Einlasskanal 17 erfolgt. Das Durchflussregelelement 14 ist hingegen am ersten Einlasskanal 6 in einer Offenstellung, wodurch Abgas 11 durch den Abgasrückführungskanal 7 in den zweiten Teilkanal 9 strömen kann. Im ersten Teilkanal 8 strömt separat zum zweiten Teilkanal 9 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 in Richtung des ersten Einlassventils 5. Das Durchflussregelelement 14, das das Verhältnis der Zumischung von Abgas 11 zum Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 regelt, so dass auf ein externes Abgas-Ventil verzichtet werden kann, weist hierbei eine derartige Stellung auf, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 lediglich durch den ersten Teilkanal 8 strömen kann und nicht sich mit dem Abgasstrom im zweiten Teilkanal 9 vermischen kann. Durch eine zylinderindividuelle Regelung des Durchflussregelelementes 14 kann die Zumischung von Abgas 11 in den Brennraum 3 zylinderselektiv erfolgen. Wie 1 besonders deutlich zeigt, verschließt die Klappe 14 den zweiten Teilkanal 9 stromauf der Mündung des Abgasrückführungskanals 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im ersten und/oder im zweiten Einlasskanal 6, 17, das exemplarisch nicht dargestellt ist. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann durchaus eine Einbringung des Kraftstoffes als Direkteinspritzung direkt in den Brennraum 3 erfolgen.
Strömt nun das getrennt geführte Abgas 11 sowie das Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 durch die Einlassöffnung 4 in den Brennraum 3 des Zylinders 1, entsteht eine geschichtete Drallströmung, die im wesentlichen um die Zylinderlängsachse 13 zirkuliert. Wie 1 und 3 besonders verdeutlichen strömt das Abgas 11 im wesentlichen an der Zylinderwand und umschließt das im Innern des Zylinders 1 strömende Kraftstoff-Luft-Gemisch 12. Aufgrund des geeignet gekrümmten ersten Einlasskanals 6 entsteht im Brennraum 3 eine aus dem einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 und dem einströmenden Abgas 11 sich zusammensetzende Drallströmung, die insbesondere eine verbesserte Verbrennung im Zylinder 1 erzielt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 strömt über den ersten Teilkanal 8 annähernd tangential in ein Zylindersegment um die Mitte des Brennraumes 3 (Drallströmung), und das Abgas 11 weist beim Eintritt durch die Einlassöffnung 4 eine Strömungsrichtung auf, die annähernd tangential zur Zylinderwand verläuft.
Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass bei einer Bewegung des Kolbens 2 in Richtung der Zylinderlängsachse 13 die sich ausbildende Drallströmung innerhalb des Brennraumes 3 nicht wesentlich gestört wird. Bewegt sich beispielsweise der Kolben 2 in Richtung der Zündkerze 19, 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 sowie 4 zeigen die Brennkraftmaschine mit dem Zylinder 1 im Volllastbetrieb. Hierbei befindet sich das Durchflussregelelement 14 in einer Schließstellung und das Durchflussregelelement 18 in einer Offenstellung. Durch den zweiten Einlasskanal 17 strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 über das zweite Einlassventil 16 in den Brennraum 3 hinein. Über den ersten Einlasskanal 6 erfolgt ebenfalls eine Versorgung des Brennraumes 3 mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch 12, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch 12 sowohl über den ersten 8 als auch über den zweiten Teilkanal 9 durch die Einlassöffnung 4 in den Brennraum 3 gelangt. Im Brennraum 3 bildet sich somit ein homogenes, brennbares Gemisch, wodurch im Volllastbetrieb eine weitestgehend vollständige, stabile und schnelle Verbrennung erfolgen kann.
Das Durchflussregelelement 14 des ersten Einlasskanals 6 sowie das Durchflussregelelement 18 des zweiten Einlasskanals 17 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-Gemisches 12 innerhalb des ersten Einlasskanals 6 sowie durch dessen erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass das Abgas 11 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

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.