DE102011016644A1

DE102011016644A1 - Einlasssystem einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem

Info

Publication number: DE102011016644A1
Application number: DE102011016644A
Authority: DE
Inventors: Michael Cremer; Gerwin Tittes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-09
Filing date: 2011-04-09
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Ein Einlasssystem (10, 10') einer Brennkraftmaschine, die zumindest ein Zylinder (1) mit zumindest einer Einlassöffnung (2; 2', 2'') und zumindest einer Auslassöffnung (3) aufweist, wird angegeben. Das Einlasssystem (10) weist einen Einlasskanal (4, 4', 4''), der über ein Einlassventil (5, 5', 5'') mit der Einlassöffnung (2, 2', 2'') des Zylinders (1) verbunden ist, und einen Schieber (11, 11', 11'') auf. Der Schieber (11, 11', 11'') ist in der Wand (12, 12', 12'') des Einlasskanals (4, 4', 4'') gelagert und in den Einlasskanal (4, 4', 4'') einführbar.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Einlasssystem einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Antreiben von Kraftfahrzeugen, wird eine hohe Leistungsausbeute bei geringem Schadstoffausstoß angestrebt. Eine Maßnahme zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, durch das das Gas zur Verbrennung in einem Zylinder der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, Steuerelemente in Form von Klappen oder Leitblechen einzubauen. Die DE 10 2006 009 102 A1 und die DE 27 38 843 offenbaren jeweils solch eine Anordnung.
Die Steuerelemente begünstigen die Gemischbildung und Verbrennung, indem sie Einfluss auf Strömungsform und Turbulenz im Einlasskanal und im Bennraum nehmen.
Die Drallströmung, also um die senkrechte Zylinderachse rotierende und/oder die so genannten Tumbleströmung, also um die horizontale rotierende Zylinderinnenströmung beeinflusst direkt die Gemischbildung. Durch Erzielung eines geeigneten Turbulenzgrades des Gemischs lassen sich die Stabilität und Geschwindigkeit der Verbrennung, insbesondere bei direkt einspritzenden und Saugrohreinspritzenden Brennkraftmaschinen kennfeldabhängig steuern und regeln.
Durch geeignete Maßnahmen im Einlasssystem der Brennkraftmaschine kann die Gemischbildung im Brennraum optimiert werden Dies kann durch Drall- und Tumble-erzeugende Bauteile im Einlasssystem geschehen, wie zum Beispiel in der DE 10 2006 009 102 A1 und die DE 27 38 843 offenbart ist.
Darüber hinaus führt eine intensivere Ladungsbewegung im Brennraum zu einem verringerten Schadstoffausstoß. Weitere Verbesserungen sind jedoch wünschenswert.
Aufgabe ist es daher, ein Einlasssystem anzugeben, das verbesserte Leistungsausbeute bei noch geringerem Schadstoffausstoß ermöglicht.
Gelöst ist diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Einlasssystem einer Brennkraftmaschine wird angegeben, die zumindest ein Zylinder mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung aufweist. Das Einlasssystem weist einen Einlasskanal, der über ein Einlassventil mit der Einlassöffnung des Zylinders verbunden ist, und einen Schieber auf. Der Schieber ist in der Wand des Einlasskanals gelagert und in den Einlasskanal einführbar.
Der Schieber ist in den Einlasskanal einführbar, um die Luftströmung im Zylinder und die Turbulenz der einströmenden Luft, oder des einströmenden Luft/Kraftstoff-Gemisches im Falle, dass der Kraftstoff im Saugrohr eingespritzt ist, den gewünschten Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors anzupassen. Diese Verwirblungen der Luftströmung führen zu einer verbesserten Verbrennung des Kraftstoffs im Zylinder und folglich zu niedrigeren Schadstoffausstößen. Last und Drehzahlabhängig kann mit dem hier beschriebenen System der für die Verbrennung optimalere Turbulenzgrad der Verbrennungsluft erzeugt werden. Zudem kann die Ladungswechselarbeit des Motors dem Lastfall angepasst werden.
Folglich ist der Schieber in den Einlasskanal nach Wunsch einführbar, um den Anteil des Einlasskanals, der sich mit dem Schieber deckt bzw. maskiert ist, einstellen zu können. Damit wird der Querschnitt des Einlasskanals, durch den die Luft strömen kann, ebenfalls nach Wunsch eingestellt, wobei die Art sowie die Größenanordnung der Luftverwirbelungen eingestellt werden.
Der Schieber ist nicht in einem Flansch zwischen dem Einlasskanal und dem Ansaugrohr gelagert, sondern direkt in der Wand des Einlasskanals. Der Schieber ist somit direkt vor bzw. soweit es der Bauraum zulässt sehr nahe an der Einlassöffnung und dem Einlassventil des Zylinders angeordnet. Solch eine Anordnung hat den Vorteil, dass die einströmende Luft beschleunigt und eine höhere Turbulenz der Luftströmung erzeugt wird, dabei bleibt der resultierende Druckverlust jedoch gering. Die Regelung der Brennkraftmaschine wird somit über einen großen Lastbereich einfacher. Gleichzeitig kann der Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß verringert werden.
Das Einlasssystem kann bei einer Brennkraftmaschine verwendet werden, bei der der Kraftstoff im Ansaugrohr oder direkt im Zylinder eingespritzt wird. Wenn der Kraftstoff im Ansaugrohr eingespritzt wird, weist der Luftstrom durch den Einlasskanal nicht nur Luft, sondern auch Kraftstoff auf. In diesem Fall ist die Strömungsgeschwindigkeit sowie die Gemischbildung des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit dem Einstellen des Schiebers geregelt. Der Einsatz des Systems ist bei Saugmotoren denkbar und bietet sich bei aufgeladenen Motoren an, da hier durch das höhere Druckniveau der Verbrennungsluft eine höhere Dämpfung im Brennraum resultiert. Dieser sollte durch geeignete Gemischbildungsmaßnahmen entgegengewirkt werden.
Der Schieber kann aus Stahl, Aluminium, einer Aluminiumbasierten Legierung, einer Messing-Legierung bestehen. Auch kann er aus einer Kunststoff bzw. einem Faserverbundwerkstoff bestehen. Die Auswahl des Materials des Schiebers wird an den Betriebsbedingungen angepasst, so dass er mechanisch stabil und korrosionsbeständig über die gewünschte Betriebsdauer bleibt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schieber in der Wand des Einlasskanals verschiebbar gelagert. Der Schieber wird somit in den Einlasskanal durch eine translatorische Bewegung eingeführt und ausgeführt, um den Querschnitt, durch den die Luft durch den Einlasskanal in den Zylinder fließt, einzustellen. Diese Bewegungsart ist gegenüber einer Klappe, die sich um eine Drehachse dreht, anders im Einlasskanal zu integrieren und wird auf eine andere Art angesteuert werden. Zudem lässt sich der hier beschriebene Schieber im Einlasskanal vollständig versenken und erzeugt damit in dieser Position keine zusätzlichen Druckverluste.
Für Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlasskanälen je Zylinder können alle oder nur ein Teil der Einlasskanäle mit Schiebern ausgestattet werden. Beispielsweise kann so in einem Motor mit jeweils zwei Einlasskanälen für jeden Zylinder jeweils ein Schieber in einem Kanal angebracht sein, während der andere Kanal keinen Schieber aufweist. Wahlweise können hier auch zwei Schieber mit unterschiedlichen oder Gleichen Konturen angebracht sein, die parallel oder unabhängig voneinander betätigt werden können.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schieber in der Wand des Einlasskanals schräg gelagert, insbesondere ist er in der Wand des Einlasskanals so angeordnet, dass er einen Winkel von weniger als 90°, vorzugsweise von 10° bis zu 30°, mit einer Mittelachse des Einlasskanals bildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Schieber in einen zu der Einlassöffnung gekrümmten Bereich des Einlasskanals einführbar. Das innere Ende des Schiebers ist somit unmittelbar vor der Einlassöffnung des Zylinders angeordnet, wenn sich das innere Ende im Einlasskanal befindet.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schieber in der Wand derart gelagert, dass beim Einführen des Schiebers in den Einlasskanal ein Teil einer Luftströmung durch den Einlasskanal in Richtung einer Mittelachse des Zylinders gelenkt wird, wobei eine Verwirblung und/oder ein Drall der Luftströmung im Zylinder erzeugt wird. Über eine derartige Anordnung kann ein Drall im Brennraum induziert werden. Dieser kann bei Zylindern mit wenigstens zwei Einlasskanälen gleich- oder gegenläufig gerichtet sein. Folglich kann der Verbrennungsprozess weiter optimiert werden.
Der Schieber kann in der Wand des unteren Teils des Einlasskanals angeordnet sein, wobei der Einlasskanal für die Füllung des Brennraums optimiert sein kann. Wenn der Schieber im unteren Teil des Einlasskanals gelagert ist, wird beim Einführen des Schiebers in den Einlasskanal der untere Teil des Einlasskanals und der benachbarte Teil der Einlassöffnung des Zylinders vom eintretenden Luftstrom mit dem Schieber maskiert, so dass der Luftstrom in Richtung der Zylindermittelachse bzw. der Auslassseite gelenkt wird. Diese Lenkung begünstigt das Erzeugen von Verwirbelung, d. h. den so genannten Tumble sowie den so genannten Swirl (Drall).
Die Position des Schiebers kann mit einer Steuereinheit eingestellt werden. Der Einstellmechanismus kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch sein. Die Steuereinheit kann verwendet werden, um die Position des Schiebers in Abhängigkeit von einem oder mehreren Motorparametern, wie Drehzahl, Leistung und Drehmoment, und/oder der Zusammensetzung des Abgases zu regeln. Diese Parameter können mit bereits vorhandenen Sensoren erfasst und von der Steuereinheit für das Einstellen des Schiebers ausgewertet werden.
Die Motorparameter zur Einstellung des Schiebers bzw. der Schieber können aus den im Motorsteuergerät vorliegenden Daten über bereits bekannte bzw. vorhandenden Algorithmen erfasst werden. Diese Motorparameter können zum Beispiel, die Motortemperatur, die Drosselklappenstellung, die Einspritzmenge, der Saugrohrdruck usw. sein.
Folglich kann das Erzeugen der Turbulenz sowie das Regeln der Füllung des Brennraums an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angepasst und die Verbrennung weiter optimiert werden. In einem Ausführungsbeispiel verfugt die Steuereinheit über eine Lagerückmeldung, um die Regelung des Systems den jeweiligen Randbedingungen anpassen zu können.
Der Einstellmechanismus und der Schieber kann in Form eines Moduls vorgesehen werden, das über Dichtungen in einer Öffnung in der Wand des Einlasskanals montiert ist. Alternativ kann nur der Schieber in einer Öffnung in der Wand über Dichtungen gelagert werden. Die Steuereinheit kann abhängig vom Raumbedarf und dem vorhanden freien Raum in diesem Modul integriert oder vom Modul getrennt montiert werden.
Der Schieber kann die Form eines Blechs aufweisen, wobei er flach oder gekrümmt sein kann. Das Blech kann ungefähr rechteckig sein, wobei das innere Ende unterschiedliche Konturen aufweisen kann. Zum Beispiel kann das innere Ende des Schiebers ungefähr senkrecht zu den Längsseiten des Schiebers sein oder einen U-förmigen Ausschnitt oder eine schräge Kontur aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel umgibt in einer geschlossenen Position das innere Ende des Schiebers einen Teil eines Schafts des Einlassventils. Die geschlossene Position bezeichnet eine Position des Schiebers, in der er nicht weiter in den Einlasskanal verschoben werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Kontur des inneren Endes des Schiebers so ausgebildet werden, beispielsweise mit einem U-förmigen Ausschnitt oder einer schrägen Kontur, so dass diese Kontur in der geschlossenen Position des Schiebers den Schaft des Einlassventils umgibt. Dies hat den Vorteil, dass der Anteil des Querschnitts der Einlassöffnung, der mit dem Schieber maskiert werden kann, erhöht ist.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Schieber ferner zumindest eine Öffnung auf. Diese Öffnung kann neben dem inneren Ende angeordnet werden und dient dazu, einen Drall in der Luftströmung zu erzeugen. Folglich können Verwirbelungen, d. h. Tumble, sowie Drall, mit einem einzigen Schieber erzeugt werden. Die Position der Öffnung im Schieber kann auch ausgewählt werden, um im Zylinder gegen- oder gleichläufigen Drall zu erzeugen.
Der Zylinder kann auch zwei oder noch mehrere Einlasskanäle aufweisen. In diesen Ausführungsbeispielen kann jeder Einlasskanal mit einem Schieber gleicher Kontur oder unterschiedlicher Kontur ausgestattet sein. Ferner kann zum Beispiel ein erster Schieber in einem ersten Einlasskanal so gebildet sein, dass der Tumble erzeugt und ein zweiter Schieber in einem zweiten Einlasskanal des Zylinders so ausgebildet sein, dass er Drall erzeugt. Der Drall, der in den zwei Einlasskanälen des Zylinders erzeugt wird, kann wahlweise entweder gleich- oder gegenläufig sein.
Alternativ kann nur ein Einlasskanal mit einem Schieber ausgestattet sein und der zweite Einlasskanal keinen Schieber aufweisen.
Eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern wird auch angegeben, wobei jeder Zylinder zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung aufweist. Ein Einlasssystem nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ist für jeden Zylinder vorgesehen. Die Verbrennung in jedem Zylinder kann somit durch das Einstellen der Position des Schiebers im Einlasskanal jedes Zylinders verbessert werden. Die Verbrennung der Brennmaschine insgesamt wird somit verbessert.
Die Position der einzelnen Schieber der jeweiligen Zylinder können im Prinzip unabhängig voneinander eingestellt werden. Um das Einstellen der Position zu vereinfachen, können jedoch die Schieber der Zylinder miteinander verbunden und gemeinsam in die jeweiligen Einlasskanäle der Zylinder eingeführt bzw. ausgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel können mehrere Schieber mit einer einzigen Steuereinheit gesteuert werden, um die Geschwindigkeit der Luftströmung sowie das Erzeugen von Turbulenz in den Zylindern zu regeln.
Auch wenn die Schieber unterschiedlicher Zylinder miteinander verbunden sind und gemeinsam in den Einlasskanal eingeführt bzw. ausgeführt werden, können die Schieber bei zumindest zwei Einlasskanälen je Zylinder unterschiedliche Konturen aufweisen. Alternativ können sie jedoch die gleiche Kontur aufweisen.
Unterschiedliche Konturen der Schieber können verwendet werden, um unterschiedliche Turbulenzniveaus in den jeweiligen Einlasskanälen eines Zylinders zu erzeugen. Ferner kann auf Grund der unterschiedlichen Konturen die Geschwindigkeit sowie die Luftströmung unterschiedlich eingestellt werden, wenn die Schieber unterschiedlicher Zylinder zu der gleichen Position im Einlasskanal eingeführt sind. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht, dass Unterschiede in der Verbrennung in den unterschiedlichen Zylindern kompensiert werden können, so dass die Verbrennung insgesamt verbessert wird. Diese Unterschiede in der Verbrennung können zum Beispiel durch die Reihenfolge der Zylinderzündung sowie die physische Anordnung der Zylinder in der Brennmaschine verursacht sein.
Die Schieber der jeweiligen Zylinder können einen Winkel von weniger als 90°, vorzugsweise von 10° bis zu 30°, mit einer Basislinie des Einlasskanals der jeweiligen Zylinder bilden, wobei der Winkel bei jedem Zylinder gleich oder unterschiedlich sein kann. Unterschiedliche Winkel können auch verwendet werden, um die Verbrennung in jedem Zylinder unabhängig von den anderen Zylindern zu verbessern bzw. zu optimieren oder um bei mehreren Einlasskanälen je Zylinder die Zylinderinnenströmung weiter zu verbessern.
Das Einlasssystem kann bei einer Brennkraftmaschine verwendet werden, die nach dem Otto- oder dem Dieselprinzip arbeitet. Bei einem nach dem Ottoprinzip arbeitenden Motor kann das Kraftstoffeinspritzventil im Ansaugrohr oder im Zylinder, d. h. als Direkteinspritzung, angeordnet werden. In diesen beiden Arten der Kraftstoffeinspritzung wird der beschleunigte Luftstrom und die große Verwirbelung und/oder Drall bei niedrigem Druckverlust verwendet, um eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs zu gewährleisten.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wird auch angegeben.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1a, 1b und 1c zeigen schematische Ansichten eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Einlasskanals mit Schiebern eines Einlasssystems,
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlasskanals mit einem einstellbaren Schieber in einer ersten Position,
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlasskanals mit einem einstellbaren Schieber in einer zweiten Position,
5 zeigt eine Ansicht eines Einlasssystems mit einem einstellbaren Schieber,
6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kraftstoff-Luft-Gemischströmung in einem Brennraum mit einem einstellbaren Schieber in einer ersten Position,
6b zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des Einlasskanals der 6a mit dem Scheiber in der ersten Position,
7a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kraftstoff-Luft-Gemischströmung in einem Brennraum mit einem einstellbaren Schieber in einer zweiten Position,
7b zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des Einlasskanals der 7a mit dem Scheiber in der zweiten Position,
8 zeigt Schieber verschiedener Formen für das Einlasssystem,
9 zeigt Schieber verschiedener Formen für das Einlasssystem,
10 zeigt Schieber verschiedener Formen für das Einlasssystem,
11 zeigt einen Schieber nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
12 zeigt einen Teil eines Einlasssystems mit zwei Einlasskanälen.
Die 1a, 1b und 1c zeigen unterschiedliche Ansichten eines Zylinders 1 von mehreren Zylindern einer in den Figuren nicht dargestellten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Zylinder 1 zwei Einlassöffnungen 2 auf, von denen nur eine in den Figuren dargestellt ist, und zwei Auslassöffnungen 3 auf, von denen ebenfalls nur eine in den Figuren dargestellt ist. Jede Einlassöffnung ist mit einem Einlasskanal 4 und jede Auslassöffnung 3 ist mit einem Auslasskanal 14 verbunden. Die Einlassöffnungen 2 werden von einem Einlassventil 5 und die Auslassöffnungen 3 von einem Auslassventil 6 geöffnet und geschlossen. Der Brennraum 7 wird im Zylinder 1 durch den Zylinderkopf 27, das Einlassventil 5, das Auslassventil 6 und einen Kolben 8 gebildet.
Das Einlasssystem 10, das im Folgenden beschrieben wird, ist jedoch nicht auf einer Brennkraftmaschine eingeschränkt, die zwei Einlasskanale 4 je Zylinder 1 aufweist. Es kann bei einem beliebig Zahl von Einlasskanälen 4 je Zylinder verwendet werden.
Die Brennkraftmaschine dieses Ausführungsbeispiels arbeitet nach dem Otto-Prinzip. Folglich ist eine Zündkerze 9 im Zylinder 1 angeordnet, mit dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder 1 gezündet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffeinspritzung nicht gezeigt, sie kann wahlweise als Direkteinspritzung in den Brennraum oder als Kanaleinspritzung im Saugrohr ausgeführt werden. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die Brennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip.
Ein Einlasssystem 10 wird angegeben, mit dem die Verbrennungsluft durch den Einlasskanal 4 und im Zylinder 1 eingestellt wird. Das Einlasssystem 10 weist einen Schieber 11 auf, der verschiebbar in der Wand 12 des Einlasskanals 4 gelagert ist. Der Schieber 11 ist in dem unteren Teil der Wand des Einlasskanals 4 gelagert.
Der Schieber 11 ist ferner so angeordnet, dass er einen Winkel von weniger als 90° mit einer Innenoberfläche 13 des Einlasskanals 4 bildet. Der Schieber 11 ist somit schräg in der Wand 12 des Einlasskanals 4 angeordnet, so dass er in und aus den Einlasskanal 4 eingeführt bzw. verschoben werden kann wie graphisch mit dem Pfeil 26 dargestellt ist, um den Querschnitt des Einlasskanals 4, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt, zu verringern bzw. zu vergrößern.
Der Schieber 11 besteht aus einem flachen Blech, das verschiedene Konturen aufweisen kann. Beispiele sind in den 8 und 9 dargestellt und werden später näher beschrieben. Der Schieber 11 kann Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumbasierten Legierung bestehen. Messing-Legierungen und Kunstoffe wie Faserverbundwerkstoffe sind auch möglich.
Die Position der Schieber 11 wird mit einem Aktor 16 eingestellt. Der Aktor 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel über einer Stößelstange 38 mit dem Schieber 11 verbunden, wobei die Stößelstange 38 mittels einer oder mehrerer Dichtungen 17 gegenüber dem Einlasskanal 4 abgedichtet wird. Eine kreisförmige Stößelstange 38 kann im Vergleich zu anderen Querschnitten mit herkömmlichen ringförmigen Dichtungen 17 gegenüber dem Einlasskanal 4 einfacher abgedichtet werden.
Die Position des Schiebers 11 wird abhängig von Motorparametern in und aus den Einlasskanälen 4 mit dem Aktor 16 verschoben. Mögliche Motorparameter sind die momentane Leistung, das Drehmoment, Beschleunigung und/oder der gemessene Schadstoffausstoß. Der Letztere kann mit einem so genannten Lambda-Sensor gemessen werden. Hierzu werden Signale 18 von nicht dargestellten Sensoren in einer Steuereinheit 19 des Aktors 16 geleitet, die die Signale auswertet und den Aktor 16 entsprechend steuert. Die Steuereinheit 19 kann das Motorsteuergerät sein. Informationen über die Position des Schiebers kann auch vom Aktor 16 an die Steuereinheit 19 übermittelt werden.
Durch diese einstellbare Verringerung und Vergrößerung des Querschnitts des Einlasskanals 4 kann die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Einlasskanal 4 sowie innerhalb des Zylinders 1 eingestellt werden. Der Schieber 11 ist im Einlasskanal 4 direkt vor dem Einlassventil 5 und der Einlassöffnung 2 angeordnet. Ferner ist er so im Einlasskanal 4 verschiebbar, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in Richtung der Zylindermittelachse 15 gelenkt wird.
Durch diese bestimmte Anordnung des Schiebers 11 in der Wand des Einlasskanals kann beim Verschieben des Schiebers 11 in dem Einlasskanal 4 die Geschwindigkeit der Luftströmung erhöht sowie Verwirbelung in der Luftströmung erzeugt werden, die zu einer verbesserten Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum 7 führen. Die Verwirbelung der Luftströmung kann so genannte Drall- und/oder so genannte Tumbleformen sein.
Mit ”Drall” werden Wirbelformen bezeichnet, deren Wirbelachse in Strömungsrichtung liegt, zum Beispiel um die Zylindermittelachse. Drallwirbelformen können auch als schraubenförmig bezeichnet werden. Mit ”Tumble” werden Wirbelformen bezeichnet, deren Wirbelachse quer zur Strömungsrichtung liegt, d. h. die Wirbelformen sind von oben nach unten im Zylinder gerichtet.
Die Art der Verwirbelung kann durch die Form des Schiebers 11 festgestellt werden. Beispiele sind in der 2 dargestellt.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlasskanals 4, in der die Position unterschiedliche Schieber 11 dargestellt ist. Ferner ist das Einlassventil 5 sowie der Ventilsitz 20 dargestellt. Der Schieber 11 ist ungefähr rechteckig und weist einen längsgestreckten halbkugelförmigen Ausschnitt 21 im Zentrum des inneren Endes 22 auf. Solch eine Kontur ist geeignet, um Verwirbelungen, den so genannten Tumble, zu erzeugen. Ein zweiter Schieber 11' ist auch in 2 dargestellt, und hat eine Breite, die ungefähr die Hälfe der Breite des Schiebers 11 ist. Dieser zweite Schieber 11' weist einen runden Ausschnitt 32 an der inneren Kante auf. Diese Kontur ist geeignet, um Drall zu erzeugen.
In den 3 und 4 ist die schräge Anordnung des Schiebers 11 in der Wand 12 des Einlasskanals 4 perspektivisch dargestellt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlasskanals 4 mit einem einstellbaren Schieber 11 in einer ersten Position. In der ersten Position ist der Schieber 11 nicht im Einlasskanal 4 angeordnet, so dass der Querschnitt des Einlasskanals 4 kaum reduziert ist. Folglich ist das Einlassventil 5 im Ganzen zu sehen. Die erste Position kann als offene Position bezeichnet werden.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Einlasskanals 4 mit einem verstellbaren Schieber 11 in einer zweiten Position. In dieser zweiten Position deckt der Schieber 11 das Einlassventil 5 ab und verringert den Querschnitt des Einlasskanals 4, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch fließen kann sowie durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 1 eintreten kann. Der Schaft 23 des Einlassventils 5 wird in dieser zweiten Position vom Ausschnitt 21 des inneren Endes 22 des Schiebers 11 umgeben, so dass trotz des kleinen Abstands zwischen dem Schieber 11 und das Einlassventil 5 in dieser zweiten Position das Einlassventil 5 weiter betätigt werden kann. Diese zweite Position kann als geschlossene Position bezeichnet werden.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlasssystems 1 mit einem Schieber 11, dessen Position in Bezug auf das Einlassventil 5 und der Einlassöffnung 2 eines Zylinders 1 mit einem Verstellmechanismus 25 eingestellt wird.
Die Einstellung der Position des Schiebers 11 kann mit einem Aktor mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Aktor 16 eine Rückstellfeder 24 auf. Mit dieser Rückstellfeder 24 ist eine stromlose Rückstellung des Schiebers in eine so genannte Parkposition möglich. Diese Parkposition kann zum Beispiel die offene Position sein. In weiteren Ausführungsbeispielen ist jedoch die Rückstellfeder weggelassen. Der Aktor 16 kann als getrenntes Modul angegeben werden, das an einer entsprechenden Öffnung im Einlasskanal angebracht wird. In der 5 ist eine Halterung 39 dargestellt, mit der der Aktor 16 mechanisch am Zylinderkopf angebunden werden kann, so dass der Schieber 11 in der Wand 12 des Einlasskanals 4 gelagert ist. Dieser hintere Teil 39 des Aktors 16 dient als Flansch bzw. Führung, mit dem bzw. mit der den Schieber am Zylinderkopf befestigt und geführt wird. Alternativ kann die Wand des Einlasskanals ein Teil des Verstellmechanismus bilden.
6a und 6b zeigen perspektivische Ansichten einer Kraftstoff-Luft-Gemischströmung in einem Brennraum 7, der durch den Zylinder 1, den Zylinderkopf 27, den Kolben 8, das Einlassventil 5 und das Auslassventil 6 gebildet ist. In der 6a und der 6b ist der Schieber 11 in einer ersten Position dargestellt, bei dem der Querschnitt des Einlasskanals 4 kaum verringert ist. Die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Einlasskanal 4 und im Zylinder 1 ist mit den Pfeilen 28 in der 6a schematisch dargestellt.
7a und 7b zeigen perspektivische Ansichten einer Kraftstoff-Luft-Gemischströmung durch den Einlasskanal 4 und in dem Brennraum 7 mit dem einstellbaren Schieber 11 in einer zweiten Position. In dieser zweiten Position ist der Schieber 11 in den Einlasskanal 4 verschoben, wobei er den Querschnitt, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch fließen kann, verringert. Dies führt zu einer erhöhten Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Endbereich des Einlasskanals 4 kurz vor dem Einlassventil 5, wie mit den Pfeilen 29 in 7a schematisch dargestellt ist.
Auf Grund der Position des Schiebers 11 ist eine Tumbleströmung erzeugt, die mit den Pfeilen 29 schematisch dargestellt ist, da mehr Luft über den der Zündkerze zugewandten Teil des Ventils fließt. Damit kann die Luft im Zylinder stärker zirkulieren. Dieser erhöhte Tumbleströmung verbessert die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder 1, so dass der Schadstoffausstoß verringert wird.
8 zeigt vier Schieber unterschiedlicher Konturen. Die Schieber 30 haben jeweils eine Breite, die weniger als die Hälfte des Durchmessers 31 des Einlassventils 5 ist. Diese Schieber 30 können an der linken oder an der rechten Seite des Einlassventils 5 angeordnet werden. Auf die Mitte gerichtete Innenecken weisen eine gerundete Kante 32 auf, deren Rundung ungefähr dem kreisförmigen Außenrand des Einlassventils 5 entspricht. Diese Schieber 30 sind geeignet, um Drall zu erzeugen.
8 zeigt ferner eine zweite Art von Schiebern 33, die breiter sind als die Schieber 30. Die zweite Art von Schiebern 33 weist eine Breite auf, die ungefähr dem Durchmesser 31 des Einlassventils 5 entspricht. Ferner weisen sie einen halbkugelförmigen Ausschnitt 34 am inneren Ende 22 auf, der ungefähr der Kontur des Schaftes 23 des Einlassventils 5 entspricht. Diese Schieber 33 haben eine Kontur, die geeignet ist, Tumble zu erzeugen. Der Schieber 35 weist zusätzlich eine dreieckige Durchöffnung 36 auf, die neben einer Seite des halbkugelförmigen Ausschnitts 34 angeordnet ist. Diese Durchöffnung 36 erzeugt eine Drallkomponente in der Strömung. Folglich ist diese Kontur geeignet, Drall und Tumble zu erzeugen.
9 zeigt weitere Beispiele von Konturen von Schiebern, die mit A bis G bezeichnet sind. Der Schieber ”A” ist ein Tumbleschieber mit einem halbkugelförmigen Ausschnitt mit einer abgerundeten Kontur. Der Schieber B ist ähnlich zum Schieber A, aber unterscheidet sich durch eine kantige Kontur. Der Schieber C weist eine kürzere Spitze auf, um Lift zu erhöhen. Die Schieber D haben noch kürzere Spitzen als der Schieber C und sind verkürzt auf 50% der Ventilfläche. Der Schieber E weist ein schräges Innenende auf und ist ein Tumbleschieber mit einer Drallkontur. Die Schieber G weisen ebenfalls ein schräges Innenende auf und sind Drallschieber mit einer Durchöffnung in der Spitze, die eine Tumblekomponente in der Strömung erzeugt. Der Schieber F ist ein Vergleichsschieber, der eine rechteckige Kontur aufweist.
10 zeigt Schieber verschiedener Formen nach weiteren Ausführungsbeispielen. Von links nach rechts ist ein Schieber 100 mit einer einfachen rechteckigen Form dargestellt, sowie ein Schieber 101 mit einem schmalen grabenartigen Ausschnitt 102 am inneren Ende 103, ein Schieber 104 mit einem halbkugelförmigen Ausschnitt 105 am inneren Ende 103, ein rechteckiger Schieber 106 mit zwei kreisförmigen Öffnungen 107 in den Ecken des inneren Endes 103, ein rechteckiger Schieber 108 mit zwei quadratischen Öffnungen 109 in den Ecken des inneren Endes 103, ein rechteckiger Schieber 110 mit zwei dreieckigen Öffnungen 111 in den Ecken des inneren Endes 103, ein Schieber 112 mit einem schrägen inneren Ende 113, ein Schieber 114 mit einem schrägen inneren Ende 113 und einer dreieckigen Öffnung 111 in der Spitze des schrägen Endes 103, ein Schieber 115 mit einem schrägen inneren Ende 113 und einer quadratischen Öffnung 109 in der Spitze des schrägen Endes 113, ein Schieber 116 mit einem schrägen inneren Ende 113 und einer kreisförmigen Öffnung 107 in der Spitze des schrägen Endes 113, ein Schieber 117 mit einem halbkugelförmigen Ausschnitt 105 am inneren Ende 103 und zwei kreisförmigen Öffnungen 107, die an gegenüberliegenden Seiten des Ausschnitts 105 angeordnet sind, ein Schieber 118 mit einem halbkugelförmigen Ausschnitt 105 am inneren Ende 103 und zwei quadratischen Öffnungen 109, die an gegenüberliegenden Seiten des Ausschnitts 105 angeordnet sind, und ein Schieber 119 mit einem halbkugelförmigen Ausschnitt 105 am inneren Ende 103 und zwei dreieckigen Öffnungen 111, die an gegenüberliegenden Seiten des Ausschnitts 105 angeordnet sind.
11 zeigt ein Einlasssystem 10 mit einem Schieber 11 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Einlasssystem 10 einen Schieber 11 auf, der verschiebbar in der Wand 12 des Einlasskanals 4 direkt vor der Einlassöffnung 2 des Zylinders 1 gelagert ist. Der Schieber 11 ist schräg in der Wand 12 des Einlasskanals 4 angeordnet, so dass er in und aus dem Einlasskanal 4 eingeführt bzw. verschoben werden kann, um den Querschnitt des Einlasskanals 4, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt, zu verringern bzw. vergrößern. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Schieber 11 die Form eines rechteckigen Blechs mit einem U-förmigen Ausschnitt 34 am inneren Ende auf. Der Schieber 11 weist eine Breite B, von 26 mm, eine Dicke D, von 4 mm auf und ist in der Wand des Einlasskanals angeordnet, damit er einen Winkel θ, von ungefähr 13° mit der Einlassöffnung 2 bildet.
12 zeigt einen Teil eines Einlasssystems 10' für ein Zylinder mit zwei Einlassöffnungen 2', 2'' und zwei nicht in der Ansicht der 2 gezeigten Auslassöffnungen. Jeder Einlassöffnung 2', 2'' ist mit einem Einlasskanal 4', 4'' verbunden. Jeder Einlasskanal 4'; 4'' ist mit seinem zugehörigen Einlassöffnung 2', 2'' über ein Einlassventil 5', 5'' verbunden, wobei die Einlassventile 5', 5'' einzeln steuerbar sind.
Neben den Einlassöffnungen 2', 2'' sind die zwei Einlasskanäle 4', 4'' getrennt voneinander. Stromabwärts von der Einlassöffnungen 2', 2'' übergehen die zwei Einlasskanälen 4', 4'' ineinander und werden durch einen gemeinsamen Ansaugrohr mit Luft und gegebenenfalls einem Luft/Kraftstoffgemisch versorgt.
Ein Schieber 11', 11'' nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele ist in der Wand 12', 12'' jedes Einlasskanals 4', 4'' verschiebbar gelagert, so dass er in Pfeilrichtung 40 und 40' in und aus den Einlasskanal 4', 4'' verschiebbar ist, um ein gewünschten Verwirbelung, d. h. Tumble und/oder Drall, im jeweiligen Einlasskanal 4', 4'' und folglich im gemeinsamen Zylinder zu erzeugen. Die Position der zwei Schieber 11', 11'' kann unabhängig oder abhängig von der Position des anderen Schiebers 11', 11'' eingestellt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Kontur der zwei Schieber 11', 11'' so ausgewählt, dass die Turbulenz und Zylinderinnenströmung so zu beeinflussen, dass sie für den Lastfall und die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches optimiert wird. Dazu können die Schieber unterschiedliche Konturen haben und über unterschiedliche Einstellwege verfügen. Auch eine asymmetrische Verteilung der Verbrennungsluft auf beide Einlasskanäle ist mit einer derartigen Anordnung erreichbar.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Einlassöffnung
2': erste Einlassöffnung
2'': zweite Einlassöffnung
3: Auslassöffnung
4: Einlasskanal
4': erster Einlasskanal
4'': zweiter Einlasskanal
5: Einlassventil
5': erstes Einlassventil
5'': zweites Einlassventil
6: Auslassventil
7: Brennraum
8: Kolben
9: Zündkerze
10: Einlasssystem
10': Einlasssystem nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
11: Schieber
11': erster Schieber
11'': zweiter Schieber
12: Wand
12': erste Wand
12'': zweite Wand
13: Innenoberfläche
14: Auslasskanal
15: Mittelachse des Zylinders
16: Aktor
17: Dichtung
18: Signal
19: Steuereinheit
20: Ventilsitz
21: Ausschnitt
22: inneres Ende
23: Schaft des Einlassventils
24: Rückstellfeder
25: Verstellmechanismus
26: Bewegungsrichtung des Schiebers
27: Zylinderkopf
28: Strömung ohne Tumble und/oder Drall
29: Tumble
30: erster Schieber
31: Durchmesser
32: gerundete Kante
33: zweiter Schieber
34: Ausschnitt
35: dritter Schieber
36: Durchöffnung
37: schräge Kontur
38: Stößelstange
39: Halterung
40: Bewegungsrichtung des ersten Schiebers
40': Bewegungsrichtung des zweiten Schiebers
100: Schieber
101: Schieber
102: schmaler grabenartiger Ausschnitt
103: inneres Ende
104: Schieber
105: halbkugelförmiger Ausschnitt
106: Schieber
107: kreisförmige Öffnung
108: Schieber
109: quadratische Öffnung
110: Schieber
111: dreieckige Öffnung
112: Schieber
113: schräges inneres Ende
114: Schieber
115: Schieber
116: Schieber
117: Schieber
118: Schieber
119: Schieber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006009102 A1 [0002, 0005]
DE 2738843 [0002, 0005]

Claims

Einlasssystem (10, 10') einer Brennkraftmaschine, die zumindest ein Zylinder (1) mit zumindest einer Einlassöffnung (2, 2', 2'') und zumindest einer Auslassöffnung (3) aufweist, wobei das Einlasssystem (10) zumindest einen Einlasskanal (4, 4', 4''), der über ein Einlassventil (5, 5', 5'') mit der Einlassöffnung (2, 2', 2'') des Zylinders (1) verbunden ist, und einen Schieber (11, 11', 11'') aufweist, wobei der Schieber (11, 11', 11'') in der Wand (12, 12', 12'') des Einlasskanals (4, 4', 4'') gelagert ist, und in den Einlasskanal (4, 4', 4'') einführbar ist.
Einlasssystem (10, 10') nach Anspruch 1, wobei der Schieber (11, 11', 11'') in der Wand (12, 12', 12'') des Einlasskanals (4, 4', 4'') verschiebbar gelagert ist.
Einlasssystem (10, 10') nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Schieber (11, 11', 11'') in der Wand (12, 12', 12'') des Einlasskanals (4, 4', 4'') so angeordnet ist, dass er einen Winkel von weniger als 90°, vorzugsweise von 10° bis zu 30°, mit einer Mittelachse des Einlasskanals (4, 4', 4'') bildet.
Einlasssystem (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schieber (11, 11', 11'') in der Wand (12, 12', 12'') derart gelagert ist, dass beim Einführen des Schiebers (11, 11', 11'') in den Einlasskanal (4, 4', 4'') ein Teil einer Luftströmung durch den Einlasskanal (4, 4', 4'') in Richtung Mittelachse (15) des Zylinders (1) gelenkt wird, wobei eine Verwirbelung und/oder ein Drall der Luftströmung im Zylinder (1) erzeugt wird.
Einlasssystem (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schieber (11, 11', 11'') mit einer Steuereinheit (19) verbunden ist, mit dem die Position des Schiebers (11, 11', 11'') in Abhängigkeit von einem oder mehreren Motorparametern und/oder der Zusammensetzung des Abgases einstellbar ist.
Einlasssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein inneres Ende (22) des Schiebers (11) einen U-förmigen Ausschnitt (21) oder eine schräge Kontur (37) aufweist.
Einlasssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schieber (11) ferner zumindest eine Öffnung (36) aufweist.
Einlasssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in einer geschlossenen Position das innere Ende (22) des Schiebers (11) ein Teil eines Schaftes (23) des Einlassventils (5) umgibt.
Einlasssystem (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Zylinder (1) zumindest zwei Einlassöffnungen (2', 2'') aufweist, und das Einlasssystem (10) ein Einlasskanal (4', 4'') für jede Einlassöffnung (2', 2'') aufweist.
Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern (1), wobei jeder Zylinder (1) zumindest eine Einlassöffnung (2, 2', 2'') und eine zumindest Auslassöffnung (3) aufweist, wobei ein Einlasssystem (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für jeden Zylinder (1) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, wobei die Schieber (11', 11'') der Zylinder (1) miteinander verbunden und gemeinsam in die jeweiligen Einlasskanäle (4', 4'') der Zylinder (1) einführbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Schieber (11) der zumindest zwei Zylinder (1) unterschiedlicher Konturen oder die gleiche Kontur aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Schieber (11, 11', 11'') einen Winkel von weniger als 90°, vorzugsweise von 10° bis zu 30°, mit einer Mittelachse des Einlasskanals (4, 4', 4'') der jeweiligen Zylinder (1) bilden, wobei der Winkel bei jedem Zylinder (1) gleich oder unterschiedlich ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Brennkraftmaschine so ausgebildet ist, dass sie nach dem Ottoprinzip oder nach dem Dieselprinzip arbeitet.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14.