-
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Mitteln zu Veränderung eines wirksamen Strömungsquerschnitts eines Ansaugkanals nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
-
Die
WO 00/49279 beschreibt ein Luftansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Otto-Motor mit Direkteinspritzung, mit einem wenigstens einen Zylinder begrenzenden Zylinderkopf, einem Saugrohr, welches wenigstens einen Luftkanal pro Zylinder aufweist, und pro Zylinder wenigstens einem in dem Zylinderkopf angeordneten Einlasskanal mit in einen zugeordneten Zylinder mündender Einlassöffnung, wobei das Saugrohr und der Zylinderkopf über einen Zylinderkopfflansch derart miteinander verbunden sind, dass jeweils ein Luftkanal des Saugrohres mit einem entsprechenden Einlasskanal im Zylinderkopf in fluidleitender Verbindung steht, wobei im Luftkanal des Saugrohres eine wahlweise den Querschnitt des Luftkanals verengende Schaltklappe angeordnet ist. Hierbei ist im Einlasskanal ein Tumble-Blech angeordnet, welches den Einlasskanal über einen vorbestimmten Abschnitt zwischen dem Zylinderkopfflansch und der Einlassöffnung teilt, und die Schaltklappe ist derart ausgebildet und über den Zylinderkopfflansch hinausragend angeordnet, dass sie in den Querschnitt des Luftkanals verengender Stellung am Tumble-Blech anschlägt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verbrennungskraftmaschine mit Mitteln zu Veränderung eines wirksamen Strömungsquerschnitts eines Ansaugkanals und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
-
Hinsichtlich der Verbrennungskraftmaschine wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird die Aufgabe durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei der Verbrennungskraftmaschine mit Mitteln zu Veränderung eines wirksamen Strömungsquerschnitts eines Ansaugkanals, innerhalb dem eine Luftströmung geführt ist, ist die Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäß als direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und im oder am Ansaugkanal ist eine Blende mit veränderlichem Durchlassquerschnitt angeordnet. Mittels des veränderlichen Durchlassquerschnitts sind eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung des innerhalb des Ansaugkanals geführten Luftstroms veränderbar. Eine Ausformung und/oder ein Verlauf des Ansaugkanals sind für eine Luftströmung hin ausgelegt, welche eine hohe Ladungsbewegung im Brennraum bewirkt. Mittels einer solchen Blende ist ein wirksamer Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar. Auf diese Weise ist eine Ladungsbewegung innerhalb eines Brennraums der Verbrennungskraftmaschine beeinflussbar. Dadurch ist ein üblicherweise bestehender Zielkonflikt zwischen einem Schichtladebetrieb und einem Homogenbetrieb der Verbrennungskraftmaschine auflösbar.
-
Für den Schichtladebetrieb, welcher eine signifikante Verbrauchseinsparung im unteren Kennfeldbereich ermöglicht, ist eine niedrige Ladungsbewegung, auch als Tumbleströmung bezeichnet, vorteilhaft.
-
Für die übrigen Kennfeldbereiche, insbesondere einen homogenen Teillastbetrieb oder einen Volllastbetrieb ist eine hohe Ladungsbewegung vorteilhaft, da diese eine Durchmischung und Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum unterstützt und verbessert.
-
Mittels der Blende ist nunmehr im Schichtladebetrieb eine geringe Ladungsbewegung einstellbar und im Homogenbetrieb eine hohe.
-
Die Blende ist in einem Flanschbereich zwischen Ansaugkanal und einem übrigen Ansaugtrakt angeordnet. Dadurch kann eine Blende an einem bestehenden Zylinderkopf angeordnet werden.
-
Jedem Ansaugkanal ist eine separate Blende zugeordnet, so dass die Luftströmung in jedem Ansaugkanal separat einstellbar ist.
-
Die Blende ist bevorzugt zentriert im Ansaugkanal angeordnet, so dass sich eine gleichmäßige Durchströmung des Ansaugkanals ergibt.
-
Der Durchlassquerschnitt der Blende und ein daraus resultierender wirksamer Strömungsquerschnitts des Ansaugkanals sind in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar. So ist während eines Homogenbetriebs die Blende vollständig geöffnet, so dass ein gesamter Querschnitt des Ansaugkanals freigegeben ist. Auf diese Weise ist eine große Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms bewirkt, aus welchem eine hohe Ladungsbewegung im Brennraum resultiert.
-
Während eines Schichtladebetriebs ist mittels der entsprechenden Einstellung der Blende ein wirksamer Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal verringert, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung des innerhalb des Ansaugkanals geführten Luftstroms veränderbar sind bzw. ist und derart eine Zylinderinnenströmung im Brennraum beeinflussbar ist. Auf diese Weise ist eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms bewirkt, aus welchem eine geringe Ladungsbewegung im Brennraum resultiert.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Ansaugkanal abschnittsweise in Luftkanäle unterteilt, wobei jedem Einlassventil ein Luftkanal zugeordnet ist und wobei ein Stabilisierungsblech im Ansaugkanal angeordnet ist und sich dabei in Längsrichtung des Ansaugkanals zwischen Teilungsabschnitt der Luftkanäle und Blende erstreckt und den Ansaugkanal in Längsrichtung unterteilt. Auf diese Weise ist eine Luftströmung stabilisiert und es ist insbesondere eine Anströmung der einzelnen Luftkanäle verbessert.
-
Beim Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine werden ein Durchlassquerschnitt einer Blende und ein daraus resultierender wirksamer Strömungsquerschnitts eines Ansaugkanals in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine variabel eingestellt, so dass derart eine Zylinderinnenströmung in einem Brennraum eingestellt wird. Dadurch ist ein üblicherweise bestehender Zielkonflikt die Geschwindigkeit der Ladungsbewegung betreffend zwischen einem Schichtladebetrieb und einem Homogenbetrieb der Verbrennungskraftmaschine auflösbar.
-
Zweckmäßigerweise wird während eines Homogenbetriebs der Verbrennungskraftmaschine die Blende vollständig geöffnet oder während eines Schichtladebetriebs wird mittels der entsprechenden Einstellung der Blende ein wirksamer Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal verringert.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine,
-
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine,
-
3 schematisch eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine,
-
4 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geöffneter Blende,
-
5 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geschlossener Blende,
-
6A bis 6E schematisch unterschiedliche Blendenformen, und
-
7 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Brennraums und eines Ansaugkanals mit einem Stabilisierungsblech einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geschlossener Blende.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines Brennraums 1 und eines Ansaugkanals 2 einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine.
-
Die Verbrennungskraftmaschine ist als herkömmliche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere als fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet und umfasst zumindest einen Zylinder 3.
-
Der Zylinder 3 umfasst eine Laufbuchse 4, in welcher ein Kolben 5 verschiebbar angeordnet ist. Oberhalb des Kolbens 5 ist der Brennraum 1 gebildet. Dabei ist der Brennraum 1 oberseitig von einem Zylinderkopf 6 begrenzt.
-
Der Zylinderkopf 6 umfasst für jeden Zylinder 3 zumindest einen Ansaugkanal 2 und einen Auslasskanal 7. Der Ansaugkanal 2 ist an seinem einen Ende in herkömmlicher Weise mit einem nicht dargestellten Einlasstrakt der Verbrennungskraftmaschine und mündet in den Brennraum 1, wobei die Mündungsöffnung 8 mittels eines Einlassventils 9 verschließbar ist. Der Auslasskanal 7 beginnt an einer Auslassöffnung 10 des Zylinderkopfs 6 und mündet in eine nicht dargestellte Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine. Dabei ist die Auslassöffnung 10 mittels eines Auslassventils 11 verschließbar.
-
Weiterhin sind im Zylinderkopf 6 in herkömmlicher und nicht dargestellter Weise zumindest eine, zumindest abschnittsweise in den Brennraum 1 ragende, Zündkerze und zumindest ein Einspritzventil angeordnet.
-
Eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit Direkteinspritzung, d. h. eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Gemischbildung, wird üblicherweise in Abhängigkeit des aufzubringenden Motormoments im Schichtladebetrieb oder im Homogenbetrieb betrieben.
-
Im Schichtladebetrieb wird das Gemisch um die zentral im Brennraum 1 positionierte Zündkerze konzentriert, in den Randbereichen des Brennraums 1 befindet sich reine Luft. Die damit verbundene Verbrauchseinsparung resultiert zum einen aus der Entdrosselung der Verbrennungskraftmaschine, zum anderen aus den minimierten Wärmeverlusten, die durch die zentral im Brennraum 1 ablaufende Verbrennung mit umgebender isolierender Lufthülle ermöglicht werden. Für den Schichtladebetrieb, welcher eine signifikante Verbrauchseinsparung im unteren Kennfeldbereich ermöglicht, ist eine niedrige Ladungsbewegung, auch als Tumbleströmung bezeichnet, vorteilhaft.
-
Für die übrigen Kennfeldbereiche, insbesondere einen homogenen Teillastbetrieb oder einen Volllastbetrieb ist eine hohe Ladungsbewegung vorteilhaft, da diese eine Durchmischung und Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 1 unterstützt und verbessert. Dadurch entsteht ein Zielkonflikt.
-
Im Betrieb wird der Luftstrom L beim Ansaugen durch die Gestaltung von Ansaugkanal 2 und Kolben 5 in eine turbulente Strömung versetzt, wobei je nach Betriebszustand entweder im Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt eingespritzter Kraftstoff am Kolben 5 umgelenkt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt als geschlossene zündfähige Wolke entlang der Laufbuchse 4 und entlang des Kolbens 5 zur Zündkerze. Um eine hohe Ladungsbewegung zu erreichen, weist der Ansaugkanal 2 üblicherweise eine Abrisskante 12 auf, welche zu einem Strömungsabriss des Luftstroms L und daraus resultierenden turbulenten Strömungen führt. Dieser Strömungsabriss führt zu einer hohen Ladungsbewegung, die für homogene Betriebsarten, beispielsweise einem Volllastbetrieb oder einem Teillastbetrieb mit hohen Abgasrückführungsraten, zur Verbesserung der Verbrennung und damit zur Verbrauchs- und Emissionsoptimierung notwendig ist.
-
Diese hohe Ladungsbewegung ist im Schichtladebetrieb unvorteilhaft. Durch Strömungsfluktuationen wird die Kraftstoffeinspritzung einzelner Arbeitsspiele im Brennraum 1 gestört und eine sichere Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verhindert. Dies kann zu Verbrennungsaussetzern der Verbrennungskraftmaschine und damit zu Komfortverschlechterungen und Emissionsproblemen führen.
-
2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung des Brennraums 1 und des Ansaugkanals 2 einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
-
3 zeigt schematisch eine perspektivische Teilschnittdarstellung des Brennraums 1 und des Ansaugkanals 2 einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
-
Erfindungsgemäß sind eine Ausformung und/oder ein Verlauf des Ansaugkanals 2 für eine Luftströmung L hin ausgelegt, welche eine hohe Ladungsbewegung im Brennraum 1 bewirkt und dadurch einen Homogenbetrieb unterstützt. Zusätzlich ist zu Beginn des Ansaugkanals 2 eine Blende 13 mit veränderlichem Durchlassquerschnitt angeordnet.
-
Eine solche Blende 13 ist beispielsweise in einem Flanschbereich zwischen Ansaugkanal 2 und übrigem Ansaugtrakt angeordnet. Dabei ist jedem Ansaugkanal 2 eine Blende 13 zugeordnet.
-
Während des Homogenbetriebs ist diese Blende 13 vollständig geöffnet, d. h. ein gesamter Querschnitt des Ansaugkanals 2 ist freigegeben. Dadurch ist die Blende 13 während des Homogenbetriebs wirkungslos.
-
Während des Schichtladebetriebs wird mittels der entsprechenden Betätigung der Blende 13 ein wirksamer Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal 2 verringert. Dadurch werden eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung des innerhalb des Ansaugkanals 2 geführten Luftstroms L verändert. Dadurch kann eine Zylinderinnenströmung im Brennraum 1 gezielt beeinflusst werden.
-
4 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung des Ansaugkanals 2 einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geöffneter Blende 13. Dieser Ansaugkanal 2 weist zwei Einlassventile 9 auf. Deshalb ist der Ansaugkanal 2 im Bereich vor den beiden Einlassventilen 9 in zwei Luftkanäle 14 unterteilt, wobei jedem Einlassventil 9 ein separater Luftkanal 14 zugeordnet ist.
-
Während des Schichtladebetriebs wird mittels der entsprechenden Betätigung der Blende 13 ein wirksamer Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal 2 verringert. Dadurch werden eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Strömungsrichtung des innerhalb des Ansaugkanals 2 geführten Luftstroms L verändert. Dadurch kann eine Zylinderinnenströmung im Brennraum 1 gezielt beeinflusst werden.
-
5 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung des Ansaugkanals 2 einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geschlossener Blende 13.
-
Die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Strömungsrichtung des Luftstroms L ist dabei von der Blendenform und der Größe des wirksamen Strömungsquerschnitts im Ansaugkanal 2 abhängig.
-
Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung des Luftstroms L werden bevorzugt derart verändert, beispielsweise verringert, dass eine geringe Ladungsbewegung erzeugt wird. Dies wird beispielsweise erreicht, in dem der Luftstroms L die Abrisskante 12 derart langsam passiert, dass kein Strömungsabriss stattfindet. Dadurch durchströmt der Luftstrom L diesen Bereich des Brennraums 1 mit einer homogenen, wirbelfreien Strömung, wodurch die Ladungsbewegung innerhalb des Brennraums 1 verringert ist.
-
Weiterhin kann der Luftstrom L mittels der Blende 13 derart geführt werden, dass der Luftstrom L steiler als üblicherweise auf die Abrisskante 12 auftrifft und dadurch weniger oder nicht verwirbelt.
-
Die Blende 13 ist bevorzugt zentriert im Ansaugkanal 2 angeordnet. Die Blende 13 kann bevorzugt 30 bis 70 Prozent des vorhandenen Querschnitts des Ansaugkanals 2 verschließen.
-
Die 6A bis 6E zeigen schematisch unterschiedliche Blendenformen. Die Blenden 13 können einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
-
6A zeigt eine Blende 13 mit einem zu einem runden Querschnitt verringerten wirksamen Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 2, wobei ein Durchmesser des wirksamen Strömungsquerschnitts kleiner ist als eine Höhe des Ansaugkanals 2.
-
6B zeigt eine Blende 13 mit einem zu einem runden Querschnitt verringerten wirksamen Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 2, wobei ein Durchmesser des wirksamen Strömungsquerschnitts korrespondierend zur Höhe des Ansaugkanals 2 ausgebildet ist.
-
6C zeigt eine Blende 13, welche den wirksamen Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 2 beidseitig mittels jeweils eines teilkreisförmigen Blendenabschnitts verringert.
-
6D zeigt eine Blende 13, welche den wirksamen Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 2 beidseitig mittels jeweils eines Blendenabschnitts derart verringert, dass ein dreieckig ausgeformter wirksamer Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
-
6E zeigt eine Blende 13, welche den wirksamen Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 2 beidseitig mittels jeweils eines Blendenabschnitts derart verringert, dass ein rechteckig ausgeformter wirksamer Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
-
7 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung des Ansaugkanals 2 mit einem Stabilisierungsblech 15 einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit geschlossener Blende 13. Mittels eines solchen Stabilisierungsblechs 15 ist eine Strömung des Luftstroms L stabilisierbar. Dabei ist das Stabilisierungsblech 15 in Verlängerung eines Teilungsabschnitts zwischen den Luftkanälen 14 angeordnet und unterteilt den Ansaugkanal 2 derart in Längsrichtung. Das Stabilisierungsblech 15 erstreckt sich dabei in Längsrichtung des Ansaugkanals 2 zwischen Teilungsabschnitt der Luftkanäle 14 und Blende 13.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
