DE102009037963B4

DE102009037963B4 - Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung

Info

Publication number: DE102009037963B4
Application number: DE102009037963.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Entec Consulting GmbH
Current assignee: Entec Consulting GmbH
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: DE102009037963A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung und einem variablen Ventiltrieb und/oder mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Otto- oder Dieselverfahren in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, umfassend vier Ladungswechselventile und den Brennraum, der durch einen Zylinder mit dem im Zylinder verschieblich angeordneten Kolben begrenzt wird, sowie einen Phasensteller auf einer Auslassnockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass bei Dieselmotoren das Abgas nur über ein Auslassventil in den Brennraum eines Vierventilmotors zurückführbar ist, wobei ein Kolben (1) nur eine mit geringer Tiefe ausgebildete Ventiltasche (3) aufweist und wobei die Tiefe von der durch ein spätes Schließen des Auslassventils erreichten rückgeführten Abgasmenge abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung und einem variablen Ventiltrieb und/oder mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Dieselverfahren in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, dass durch eine Rückführung von Abgas (Restgas) in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine die Stickoxidemissionen reduziert werden können und dadurch der Wirkungsgrad bzw. der Kraftstoffverbrauch verbessert wird. Bei Fahrzeugmotoren muss diese Abgasrückführung sehr schnell erfolgen, da der Betrieb von Fahrzeugmotoren durch hohe transiente Fahrzustände geprägt ist. Dies ist einer der Gründe, warum bei Fahrzeugmotoren eine innere Abgasrückführung durch eine variable Steuerzeit der Ein- und Auslassventile realisiert wurde. Bei der variablen Steuerzeit der Ladungswechselventile wird die Abgasmenge durch die Zeit gesteuert, in der die Ein- und Auslassventile in Ladungswechsel in der oberen Totpunktlage (OT) offen stehen. Bei Dieselmotoren können die Ein- und/oder Auslassventile in Ladungswechsel-OT-Stellung nur eine sehr kurze Zeit offen stehen, da auf Grund des hohen Verdichtungsverhältnisses der Abstand zwischen Kolben und geschlossenen Ladungswechselventilen sehr klein ist. Damit ist eine schnelle interne Abgasrückführung bei Dieselmotoren kaum möglich. Aus der DE 196 49 052 A1 ist ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung und einer Kolbenmulde bekannt, bei dem insbesondere zur Reduzierung der Partikel- und Stickoxidemissionen u. a. eine bestimmte Ausgestaltung des Kolbenbodens durch eine speziell ausgebildete Kolbenmulde mit im Kolbenboden ausgebildeten Ventiltaschen vorgesehen ist. Aus der DE 38 38 305 A1 ist weiterhin ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit drei Ein- und/oder Auslassventilen pro Zylinder bekannt, bei dem eine hohe Verdichtung ohne nachteilige Auswirkungen auf den Verbrennungsablauf durch eine optimale Kolbengestaltung dadurch erreicht wird, dass bei dem Zylinderkopf der Ventilsitz und damit der Ventilteller des mittleren Ein- oder Auslassventils in einem größeren Abstand vom Kolbenboden in der OT-Stellung des Kolbens zu liegen kommt, als üblich, so dass bei gleichzeitigem Öffnen aller drei Ventile das mittlere Einlassventil mit seinem Ventilteller früher in den Zylinder eintaucht bzw. später aus dem Zylinder austaucht als die beiden äußeren Ventile und die Ventiltasche im Kolbenboden für den Ventilteller des mittleren Einlassventils flacher ausgeführt ist oder ganz wegfallen kann. In der DE 10 2005 002 389 A1 wird eine Fahrzeug-Kolben-Brennmaschine mit angepasster Mulde beschrieben, wobei die Mulde zur Verbesserung des an einen Magerbetrieb angepassten Verbrennungsablaufs so ausgebildet ist, dass die Mulde seitlich annähernd senkrecht abfallende Seiten und einen Boden umfasst, und der Kolben mindestens zwei, vorzugsweise vier Quetschflächen aufweist, die durch Ventiltaschen für Ventile zumindest teilweise voneinander getrennt sind. Aus der US 6 129 066 A ist weiterhin eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolben für eine Vierventilanordnung mit einer Mulde bekannt, die etwa mittig zu der Anordnung einer Zylinderkerze im Zylinderkopf vorgesehen ist, wobei die Mulde im Kolben eine flache etwa kreisrunde Geometrie aufweist, um einen verbesserten Magerbetrieb bei reduzierter HC-Emission zu ermöglichen. In der DE 10 2007 027 787 A1 wird ein Verbrennungsmotor beschrieben, der mittels des erzeugten Dralls in einer Frischgasentladung in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors die Kraftstoffverteilung beeinflusst und dadurch die Verbrennungsbedingungen verbessert, indem die Stirnfläche eines in einer Brennkammer hin und her bewegbaren Kolbens mindestens eine dem Ventil gegenüberliegende Tasche aufweist, die asymmetrisch in Bezug auf eine durch eine Längsachse des Ventils verlaufende und zu der Längsrichtung parallelen Ebene ist. In der DE 10 2004 024 568 A1 wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer kraftstoffsparenden Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem das Abgas beim Einbringen in den Brennraum einen Drall um eine Rotationsachse erhält, die sich im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung eines sich im Brennraum hin- und herbewegenden Kolbens erstreckt. Aus der DE 10 2005 061 446 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit verbesserter Ladungsbewegung im Brennraum mit einer Zylinderkopfanordnung bekannt, bei dem der zweite Auslasskanal so ausgebildet ist, dass sich bei einer Gasströmung vom zweiten Auslasskanal zurück in den Brennraum eine wenigstens teilweise Drallströmung im Verbrennungsraum einstellt. Weiterhin ist aus der DE 103 18 630 A1 eine variable Ventilsteuerungs- oder Regelungsvorrichtung für einen Motor mit zugehörigem Verfahren bekannt, um einen Gasfluss während einer Ventilüberlappungsperiode zu verbessern und um eine Zylindergasmenge in einem Vierventilmotor zu erhöhen, indem in der Ventilüberlappungsperiode nur eines der zwei Auslassventile geöffnet ist, wenn ein Motorbetriebszustand ein spezifischer Betriebszustand ist. Desweiteren ist aus der DE 37 41 218 A1 eine Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslassventilen, drallerzeugenden Einlasskanälen und einer im Kolben angeordneten Brennmulde bekannt, deren Form sich rotationssymmetrisch bis zum Kolbenboden ständig erweitert. In der DE 10 2005 015 852 A1 wird weiterhin eine Hubkolbenbrennmaschine beschrieben, ein Dieselmotor, bei dem die Einlassventile und die Auslassventile durch Nocken einer Nockenwelle betätigt werden und bei welcher die Drallbildung durch eine Auslassabdeckung, eine Fase und eine Öffnung im Zylinderkopf in Richtung zum Zylinder hin erreicht wird, so dass dem zurückströmenden Abgas die gewünschte Richtung gegeben wird, durch die die Drallbewegung der einströmenden Verbrennungsluft nicht gestört, sondern unterstützt und verstärkt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung und einem variablen Ventiltrieb und/oder mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Otto- oder Dieselverfahren in einen Brennraum eine schnelle, interne Abgasrückführung durch die Ladungswechselventile zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung und einem variablen Ventiltrieb und/oder mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Otto- oder Dieselverfahren in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine dadurch gelöst, dass bei Dieselmotoren das Abgas nur über ein Auslassventil in den Brennraum eines Vierventilmotors zurückführbar ist, wobei der Kolben nur eine mit geringer Tiefe ausgebildete Ventiltasche aufweist und wobei die Tiefe der Ventiltasche von der durch ein spätes Schließen des Auslassventils erreichten rückgeführten Abgasmenge abhängig ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Dieselverfahren mit vier Ladungswechselventilen das Abgas nur über ein Auslassventil in den Brennraum eines Vierventilmotors zurückführbar ist, wobei der Kolben nur eine Ventiltasche aufweist und bei einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Ottoverfahren mit vier Ladungswechselventilen das Abgas über beide Auslassventile in den Brennraum des Vierventilmotors zurückführbar ist, wobei der Kolben zwei Ventiltaschen aufweist, aber zwei weitgehend getrennte Abgaskanäle, die eine unterschiedliche Kontur besitzen.
Eine vorteilhafte Ausführung wird darin gesehen, dass die Ventiltasche asymmetrisch zu einer Kolbenmulde auf einem Außenrand einer Stirnseite des Kolbens angeordnet und im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und in die Kolbenmulde hineinragt.
Um den Einfluss der Ventiltasche auf die Verbrennung möglichst gering zu halten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Größe der Ventiltasche durch ein Auslassventil mit kleinerem Tellerdurchmesser reduzierbar ist, wobei die Tellerdurchmesser der beiden Auslassventile unterschiedlich ausgebildet sind.
Mittels des Phasenstellers auf der Auslassnockenwelle ist die Zeit, die das offen stehende Auslassventil für einen Ventilhub aufweist, zusätzlich last- und drehzahlabhängig steuer- oder regelbar vorgesehen.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Drallbildung im Zylinder dadurch erfolgt, dass das erste Auslassventil nach Ladungswechsel OT noch offen gehalten wird, während das zweite Auslassventil bereits geschlossen ist. Die im Zylinder sich bildende Drallströmung des Abgases ist vorteilhaft so gerichtet, dass der Drall der Einlasskanäle vergrößert wird, wobei eine Drallunterstützung durch ein spätes Auslassschließen vorgesehen ist. Weiterhin kann diese Drallwirkung noch durch eine Kanalausführung des in Ladungswechsel-OT-Stellung geöffneten Auslassventils durch eine unterschiedliche Ausbildung der Auslasskanäle verstärkt werden, indem der Auslasskanal vorzugsweise als Tangentialkanal ausgebildet ist. Es ist bei einem derartig ausgeführten Dieselmotor auch möglich, die Drallwirkung des Einlasskanals zu reduzieren und eine höhere Füllung zu realisieren.
Da bei Dieselmotoren die Last drosselfrei durch die eingespritzte Kraftstoffmenge eingestellt wird, erfolgt bei dieser drosselfreien Laststeuerung die Abgasrückführung nur über die Auslassventile, obwohl man auch bei einem Dieselmotor die Ladungswechselventile in Ladungswechsel-OT-Stellung des Kolbens in die Ventiltaschen des Kolbens eintauchen lassen kann. Das hat aber den Nachteil, dass der Brennraum des Dieselmotors durch solche Ventiltaschen erheblich gestört und durch die Ventiltaschen das Kompressionsvolumen erhöht, bzw. das Verdichtungsverhältnis reduziert wird. Um diesen negativen Einfluss möglichst gering zu halten, wird erfindungsgemäß das Abgas nur über ein Auslassventil eines Vierventilmotors zurückgeführt, wobei der Kolben einer solchen Verbrennungskraftmaschine dann nur eine Ventiltasche aufweist, deren Einfluss auf die Verbrennung gering ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine in perspektivischer Ansicht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine verschieblich geführten Kolbens 1, mit einer Stirnfläche 2, in die eine Ventiltasche 3 eingearbeitet ist. Um bei der Rückführung von Abgas in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung durch einen variablen Ventiltrieb und/oder mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Dieselverfahren die Stickoxidemissionen zu reduzieren und den Wirkungsgrad bzw. den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, muss diese Abgasrückführung sehr schnell erfolgen. Auf Grund des hohen Verdichtungsverhältnisses ist der Abstand zwischen dem Kolben 1 und den nicht näher dargestellten, geschlossenen Ladungswechselventilen sehr klein. Bei Dieselmotoren wird deshalb erfindungsgemäß das Abgas nur über ein Auslassventil in den Brennraum des Vierventilmotors zurückgeführt, wobei der Kolben 1 einer solchen Verbrennungskraftmaschine dann entsprechend 1 nur eine mit geringer Tiefe ausgebildete Ventiltasche 3 aufweist, und die Tiefe der Ventiltasche 3 von der durch das späte Schließen des Auslassventils erreichten rückgeführten Abgasmenge abhängig ist.
Bei Ottomotoren wird das Abgas erfindungsgemäß über beide Auslassventile in den Brennraum des Vierventilmotors zurückgeführt, wobei der Kolben 1 dann zwei Ventiltaschen 3 aufweist, aber zwei weitgehend getrennte Abgaskanäle, die eine unterschiedliche Kontur aufweisen.
Die Ventiltasche 3 ist auf der Stirnfläche 2 des Kolbens 1 an einem Außenrand 4 angeordnet und im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Damit der Einfluss dieser Ventiltasche 3 auf die Verbrennung möglichst gering ist, kann die Größe der Ventiltasche 3 im Kolben 1 durch ein Auslassventil mit kleinerem Tellerdurchmesser zusätzlich reduziert werden, In diesem Fall sind die Teller der beiden Auslassventile mit unterschiedlichen Tellerdurchmessern ausgeführt. Die Drallbildung im Zylinder erfolgt dadurch, dass in der Ladungswechsel-OT-Stellung des Kolbens 1 dann nur ein Auslassventil offen steht, während das andere Auslassventil vor der Ladungswechsel-OT-Stellung bereits geschlossen wird. Das Abgas, das in den Zylinder durch das noch geöffnete Auslassventil zurückströmt, erzeugt im Zylinder eine Drallströmung, da dieses Ventil asymmetrisch angeordnet ist. Die Ventiltasche 3 im Kolben 1 ist bevorzugt so angeordnet, dass eine Drallströmung entsteht, die die Einlassdrallströmung verstärkt. Diese Drallwirkung kann durch die Auslasskanalausführung des in Ladungswechsel-OT-Stellung geöffneten Auslaßventils, z. B. als Tangentialkanal, noch verstärkt werden. Es ist bei einem so ausgeführten Dieselmotor aber auch möglich, die Drallwirkung des Einlasskanals zu reduzieren und eine höhere Füllung zu realisieren. Durch einen Phasensteller auf der Auslassnockenwelle kann die Zeit, die das offen stehende Auslassventil für einen Ventilhub aufweist, last- und drehzahlabhängig gesteuert bzw. geregelt werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in der Gestaltung und Anordnung der Ventiltasche und Auslasskanäle variabel.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Stirnfläche des Kolbens
3: Ventiltasche
4: Außenrand der Stirnfläche
5: Kolbenmulde

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit drosselfreier Laststeuerung und einem variablen Ventiltrieb und/oder mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes nach dem Otto- oder Dieselverfahren in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, umfassend vier Ladungswechselventile und den Brennraum, der durch einen Zylinder mit dem im Zylinder verschieblich angeordneten Kolben begrenzt wird, sowie einen Phasensteller auf einer Auslassnockenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass bei Dieselmotoren das Abgas nur über ein Auslassventil in den Brennraum eines Vierventilmotors zurückführbar ist, wobei ein Kolben (1) nur eine mit geringer Tiefe ausgebildete Ventiltasche (3) aufweist und wobei die Tiefe von der durch ein spätes Schließen des Auslassventils erreichten rückgeführten Abgasmenge abhängig ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltasche (3) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und in eine Kolbenmulde (5) hineinragend auf einem Außenrand einer Stirnseite (2) des Kolbens (1) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Ventiltasche (3) durch ein Auslassventil mit kleinerem Tellerdurchmesser reduzierbar ist, wobei die Tellerdurchmesser der beiden Auslassventile unterschiedlich ausgebildet sind.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallbildung im Zylinder dadurch erfolgt, dass das erste Auslassventil nach Ladungswechsel OT noch offen gehalten wird, während das zweite Auslassventil bereits geschlossen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinder sich bildende Drallströmung des Abgases so gerichtet ist, dass der Drall der Einlasskanäle vergrößert wird, wobei eine Drallunterstützung durch ein spätes Auslassschließen vorgesehen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallwirkung durch eine unterschiedliche Ausbildung der Auslasskanäle verstärkbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal vorzugsweise als Tangentialkanal ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Phasenstellers auf der Auslassnockenwelle die Zeit, die das offen stehende Auslassventil für einen Ventilhub aufweist, last- und drehzahlabhängig steuer- oder regelbar ist.