DE102013017753A1 - Zylinderkopf und Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Ein Zylinderkopf (1) für einen Verbrennungsmotor weist folgendes auf: – zumindest einen Einlasskanal (2) zur Zufuhr von Luft und Kraftstoff; – zumindest einen Brennraum (3); zumindest einen Übergangsbereich (12) zwischen dem zumindest einen Einlasskanal (2) und dem zumindest einen Brennraum (3); wobei ein Strömungsweg für Luft und Kraftstoff durch den Einlasskanal (2) und den Übergangsbereich (12) in den Brennraum (3) gebildet ist, wobei der Querschnitt des Strömungsweges in Strömungsrichtung der Luft und des Kraftstoffs in einem ersten Bereich vor dem Übergangsbereich (12) abnimmt, im Übergangsbereich (12) ein Minimum aufweist und in Strömungsrichtung hinter dem Übergangsbereich (12) in einem zweiten Bereich wieder zunimmt, wobei ein Konturverlauf (8) des Strömungsweges glatt ist.

Description

  • Es werden ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor mit Kanaleinspritzung, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors beschrieben.
  • Aus der EP 1 683 957 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit Kanaleinspritzung bekannt.
  • Bei derartigen Verbrennungsmotoren wird Kraftstoff in den Einlasskanal eingespritzt und bereits vor dem Einlassventil ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet.
  • Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung ist es, einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors anzugeben, mit denen eine besonders gute Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielt werden kann.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor angegeben, der zumindest einen Einlasskanal zur Zufuhr von Luft und Kraftstoff sowie zumindest einen Brennraum aufweist. Er weist ferner zumindest einen Übergangsbereich zwischen dem zumindest einen Einlasskanal und dem zumindest einen Brennraum auf. Ein Strömungsweg für Luft und Kraftstoff ist durch den Einlasskanal und den Übergangsbereich in den Brennraum gebildet, wobei der Querschnitt des Strömungsweges in Strömungsrichtung der Luft und des Kraftstoffs in einem ersten Bereich vor dem Übergangsbereich abnimmt, im Übergangsbereich ein Minimum aufweist und in Strömungsrichtung hinter dem Übergangsbereich in einem zweiten Bereich wieder zunimmt. Darüber hinaus ist der Konturverlauf des Strömungsweges glatt.
  • Unter einem glatten Konturverlauf wird dabei hier und im Folgenden verstanden, dass der Querschnitt des Strömungsweges stetig zu- bzw. abnimmt und dass die Kontur darüber hinaus außerdem stetig differenzierbar ist, also keine „Knicke” oder abrupten Änderungen aufweist. Dies wird unter anderem mit tangentialen Anbindungen aller Abschnitte des Konturverlaufs erreicht.
  • Im Gegensatz dazu weisen bekannte Zylinderköpfe typischerweise zumindest im Bereich des Ventilsitzes Ecken auf, die beispielsweise um 45 Grad angefast sind, so dass sich Knicke im Konturverlauf ergeben. Gemäß einem Aspekt der Erfindung jedoch sind der Einlasskanal und der Brennraum tangential an den Ventilsitz angebunden, so dass sich eine glatte Kontur ergibt.
  • Der Zylinderkopf hat den Vorteil, dass der konvergent-divergente Konturverlauf mit einem Minimum des Querschnitts am Absperrorgan eine Laval-Düse nachbildet. Eine Laval-Düse ist ein Strömungsorgan mit einem zunächst konvergenten und anschließenden divergenten Querschnitt, bei dem ein durchströmendes Fluid auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Die Schallgeschwindigkeit wird im Idealfall genau im engsten Querschnitt der Düse erreicht. Der glatte Konturverlauf verbessert die Nachbildung einer Laval-Düsenform zusätzlich.
  • Mit dem beschriebenen Zylinderkopf lässt sich somit eine besonders hohe Beschleunigung des Gemischs aus Luft und Kraftstoff erzielen, die zu einer guten aerodynamischen Aufbereitung, insbesondere einer besonders guten Durchmischung des Gemisches, führt. Durch die hohe Homogenität des Gemisches wird ein besonders hoher Umsetzungsgrad des Kraftstoffes erzielt und die HC-Rohemissionen werden verringert.
  • In einer Ausführungsform ist im Übergangsbereich zumindest ein ein Absperrorgan aufweisendes Ladungswechselorgan angeordnet, wobei der Einlasskanal mittels des Absperrorgans von dem Brennraum trennbar ist.
  • Dabei stellt das Absperrorgan dasjenige Bauteil dar, durch das der Einlasskanal von dem Brennraum trennbar ist. Daneben kann das Ladungswechselorgan beispielsweise auch noch Ansteuer-, Dicht- und/oder Montageelemente zur Halterung des Absperrorgans aufweisen.
  • In einer Ausführungsform erstreckt sich der erste Bereich mindestens 4 Millimeter und höchstens 10 Millimeter von dem Übergangsbereich entgegen der Strömungsrichtung in den Einlasskanal. Der zweite Bereich erstreckt mindestens 4 Millimeter von dem Übergangsbereich in Strömungsrichtung in den Brennraum.
  • Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie die Ausbildung einer Laval-Düse begünstigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform gilt für den Querschnitt AM des Strömungsweges im Bereich seines Minimums AM ≤ 0,5 A1 und AM ≤ 0,5 A2, insbesondere AM ≤ 0,3 A1 und AM ≤ 0,3 A2, wobei A1 den Querschnitt des Strömungsweges im Einlasskanal und A2 den Querschnitt des Strömungsweges im Brennraum bezeichnet.
  • Der Querschnitt des Strömungsweges beträgt demnach im Bereich seines Minimums höchstens 50% bzw. höchstens 30% seines Wertes im Einlasskanal und im Brennraum. Dabei können A1 und A2 beispielweise als mittlere Querschnitte des Strömungsweges im Einlasskanal bzw. Brennraum definiert werden.
  • Bei einer derartigen Dimensionierung kann in einer typischen Anordnung aus einem Einlasskanal und einem Brennraum mit dazwischen angeordnetem Absperrorgan ein an die Laval-Düsenform angepasster Konturverlauf verwirklicht werden. Dabei hängt es unter anderem von der Art des Absperrorgans ab, wie gering der Querschnitt des Strömungsweges im Bereich des Minimums im Vergleich zum Querschnitt im Einlasskanal und im Brennraum ausfällt.
  • In einer Ausführungsform ist das Absperrorgan als Ventil mit Ventilsitz ausgebildet. Unter einem Ventil wird dabei hier und im Folgenden im engeren Wortsinne eine Anordnung verstanden, bei der ein Verschlussteil im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung bewegt und zum Absperren über seinen gesamten Umfang an einen Ventilsitz angepresst wird.
  • Ein derartiges Ventil ist beispielsweise das bei Hubkolbenmotoren eingesetzte Einlassventil. Diese Ausführungsform eignet sich demnach beispielsweise für den Einsatz bei Hubkolbenmotoren.
  • In einer Ausführungsform weist das Ventil auf seiner dem Brennraum zugewandten Seite einen umlaufenden Rand auf, der in den Brennraum hineinragt und den Konturverlauf des Strömungsweges in den Brennraum hinein verlängert.
  • Das hat den Vorteil, dass die Anpassung des Konturverlaufs an eine Laval-Düsenform bis in den Brennraum geführt wird, so dass die Beschleunigung der Strömung zur Gemischbildung bis in den Brennraum fortgesetzt wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das Absperrorgan als Schieber ausgebildet. Bei einem Schieber wird das Verschlussteil im Gegensatz zu den Verhältnissen bei einem Ventil senkrecht zur Strömungsrichtung bewegt. Diese Ausführungsform ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor als Schiebermotor ausgebildet ist.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Absperrorgan auch als Klappe ausgebildet sein, bei der sich das Verschlussteil um eine Achse senkrecht zur Strömungsrichtung drehen lässt.
  • In einer Ausführungsform ist im Einlasskanal eine zur Aufnahme einer Kanaleinspritzeinrichtung geeignete Öffnung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist im Einlasskanal eine Kanaleinspritzeinrichtung montierbar, die Kraftstoff in den Einlasskanal einspritzt, so dass bereits vor dem Eintritt in den Brennraum ein weitgehend homogenes Gemisch gebildet wird.
  • In einer Ausführungsform weist der Zylinderkopf weiter eine in der Öffnung angeordnete Kanaleinspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal auf. Die Kanaleinspritzeinrichtung kann im Zylinderkopf vormontiert werden oder beim Zusammenfügen des Verbrennungsmotors in der Öffnung angeordnet werden.
  • In einer Ausführungsform ist die Kanaleinspritzeinrichtung als Hochdruckkanaleinspritzeinrichtung ausgebildet und weist einen Kraftstoffdruck p auf mit beispielsweise 40bar ≤ p ≤ 120 bar. Die Verwendung einer Hochdruckkanaleinspritzvorrichtung hat unter anderem den Vorteil, dass sie eine Beschleunigung des Luft-Kraftstoffgemisches aus Überschallgeschwindigkeit unterstützt. Das Gemisch wird dabei im Einlasskanal durch die Hochdruckkanaleinspritzvorrichtung einer strömungshydraulischen Aufbereitung (Vorverdampfung) unterzogen und es wird eine geringe Tropfengröße erzielt. Im Ergebnis wird eine gute Durchmischung erreicht. Dabei wird der Kraftstoff beispielsweise in Richtung des Absperrorgans eingespritzt.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit dem beschriebenen Zylinderkopf für den Verbrennungsmotor angegeben. Ein derartiges Kraftfahrzeug hat wegen des besonders homogenen Gemisches den Vorteil eines hohen Brennstoffumsetzungsgrades und besonders geringer HC-Rohemissionen. Damit reduziert sich der Kraftstoffverbrauch insbesondere auch bei kaltem Motor.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem derartigen Zylinderkopf angegeben, wobei der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer des Absperrorgans, der Kraftstoffdruck und der Einspritzzeitpunkt optimiert werden, um eine Überschallströmung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft zu erreichen.
  • Dazu kann der Ladungswechsel folgendermaßen angesteuert werden: Bei geschlossenem Absperrorgan wird ein wunschgemäßes Druckverhältnis aufgebaut. Dabei wird das Druckverhältnis derart gewählt, dass durch den im Brennraum herrschenden Unterdruck beim Öffnen des Absperrorgans die Beschleunigung des Gemisches auf Überschallgeschwindigkeit unterstützt wird. Der Einspritzzeitpunkt sowie der Öffnungszeitpunkt und gegebenenfalls der Öffnungsverlauf des Absperrorgans können derart gewählt werden, dass der Kraftstoff in dem Zeitpunkt am geöffneten Absperrorgan angelangt, in dem die eingelassene Frischluft den durch das geöffnete Absperrorgan gebildeten Spalt mit einer besonders hohen Geschwindigkeit durchströmt. Dadurch wird eine frühe und schnelle Gemischbildung in der Einlassphase erzielt, wodurch die Wandfilmbildung im Saugrohr reduziert wird. Dies kann noch dadurch unterstützt werden, dass das Absperrorgan nach dem Einspritzen so lange geöffnet bleibt, dass ein Nachspülen mit Frischluft ermöglicht wird.
  • Das Verfahren hat den Vorteil, dass eine Abtrennung der Einspritzvorrichtung und einer potenziellen Nachspritzmenge vom Brennraum durch das Absperrorgan erreicht wird. Dadurch wird auch eine Abtrennung einer potenziellen Wandfilmmenge erzielt. Das hat den Vorteil, dass die Diffusionsflammenbildung während der Verbrennung am Kolbenboden und im Einspritzbereich verhindert oder reduziert wird. Dadurch können Partikelemissionen reduziert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Optimierung des Öffnungszeitpunkts des Absperrorgans, des Kraftstoffdrucks und des Einspritzzeitpunkts die Ermittlung eines Kurbelwinkelfensters für eine Überschallströmung hinter dem Absperrorgan, die Ermittlung des Kraftstoffdruckes, der erforderlich ist, um eine festgelegte Kraftstoffmasse während des Kurbelwinkelfensters einspritzen zu können, die Ermittlung der Flugzeit des eingespritzten Kraftstoffs von der Kanaleinspritzeinrichtung zum Absperrorgan sowie die Ermittlung des Einspritzzeitpunktes. Die Ermittlung des Kurbelwinkelfensters erfolgt insbesondere über den bei der Kolbenbewegung aufgebauten Unterdruck, aus dem sich das gewünschte Druckgefälle bestimmen lässt.
  • In einer Ausführungsform wird der Kraftstoffdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl und damit auch in Abhängigkeit von der Größe des Kurbeiwinkelfensters gewählt. Dies ist möglich, wenn eine Hochdruckkanaleinspritzeinrichtung mit einem variabel einstellbaren Kraftstoffdruck eingesetzt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Einspritzung als Mehrfacheinspritzung durchgeführt. Das hat den Vorteil, dass eine weitere Homogenisierung des Gemisches erzielt wird. Bei warmem Motor kann mit einer Einspritzung vor der Haupteinspritzung eine Homogenisierung durch Teilvorlagerung erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt angegeben, das, wenn es auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, das beschriebene Verfahren durchzuführen, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors mit dem beschriebenen Zylinderkopf, wobei der Öffnungszeitpunkt des Absperrorgans, der Kraftstoffdruck und der Einspritzzeitpunkt optimiert werden, um eine Überschallströmung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft zu erreichen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 zeigt schematisch Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinderkopf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 zeigt schematisch den Verlauf des Kolbenwegs, des Brennraumvolumens, des Brennraumdrucks und des Ladungswechsels bzw. Einspritzzeitpunktes in dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
  • 5 zeigt schematisch ein Diagramm zur Ermittlung des Öffnungszeitpunktes des Einlassventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf 1 für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor als Hubkolbenmotor ausgebildet. Gezeigt sind in dem Ausschnitt ein Teil eines Einlasskanals 2 sowie ein Teil des Brennraums 3 des Zylinderkopfes 1. Abhängig von der Bauart des Zylinderkopfes 1 können auch beispielsweise zwei gleich aufgebaute Einlasskanäle 2 vorgesehen sein, die in den Brennraum 3 münden.
  • Der Zylinderkopf 1 weist ferner ein Ladungswechselorgan mit einem Absperrorgan auf. In der gezeigten Ausführungsform ist das Absperrorgan als Ventil 4, insbesondere als Einlassventil eines Hubkolbenmotors, ausgebildet, das in Richtung des Pfeils 5 bewegbar ist. Das Ventil 4 trennt den Einlasskanal 2 von dem Brennraum 3. In seiner Schließstellung ist das Ventil 4 gegen den Ventilsitz 6 gepresst, der eine umlaufende Dichtfläche 7 aufweist. In seiner geöffneten Stellung gibt das Ventil 4 einen Strömungsweg für Luft und Kraftstoff durch den Einlasskanal 2 in den Brennraum 3 frei.
  • Der Strömungsweg weist einen Konturverlauf auf, der in der Detailansicht in 1 mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet ist. Er ist durch die Wände des Einlasskanals 2, durch das Ventil 4 und durch die Wände des Brennraums 3 gebildet. Entlang dieses Verlaufs nimmt der Querschnitt des Strömungsweges in Strömungsrichtung der Luft und des Kraftstoffs vor dem Ventil 4 in einem ersten Bereich 13 ab, weist im Bereich des Ventilsitzes 6, dem Übergangsbereich 12, ein Minimum auf und nimmt in Strömungsrichtung hinter dem Ventil 4 in einem zweiten Bereich 14 wieder zu. Der Querschnitt des Strömungsweges im Bereich des Einlasskanals 2 ist in 1 mit A1 bezeichnet, der im Bereich des Ventilsitzes 6 mit AM. Der Querschnitt im Bereich des Brennraums 3 ist wegen der nur ausschnittsweisen Darstellung in 1 nicht mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Der konvergent-divergente Konturverlauf des Strömungsweges ist darüber hinaus glatt. Er weist demnach keine Knicke oder abrupten Richtungsänderungen auf. Insbesondere ist die Wand des Einlasskanals 2 bzw. des Brennraums 3 im Bereich des Ventilsitzes 6 nicht schräg angefast. Damit entspricht der Konturverlauf prinzipiell dem einer Laval-Düse. Diese Form des Konturverlaufs bewirkt eine Beschleunigung der Strömung zunächst auf Schallgeschwindigkeit im Querschnitt AM und nachfolgend auf Überschallgeschwindigkeit und damit eine gute Homogenisierung des Gemischs aus Luft und Kraftstoff.
  • Ferner weist der Zylinderkopf 1 eine im Einlasskanal 2 angeordnete Hochdruckkanaleinspritzvorrichtung 9 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Einlasskanal 2 auf.
  • 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Zylinderkopf 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der in 1 gezeigten lediglich dadurch, dass das Ventil 4 auf seiner dem Brennraum 3 zugewandten Seite 11 einen umlaufenden Rand 10 aufweist, der um eine festgelegte Strecke, beispielsweise zwischen 5 und 20 Millimeter, in den Brennraum 3 hineinragt. Damit wird der konvergentdivergente Konturverlauf weiter in den Brennraum hinein verlängert. Das Ventil 4 weist somit eine höhere Masse auf, diese Gewichtszunahme wird jedoch dadurch gering gehalten, dass die Verlängerung des Konturverlaufs durch einen umlaufenden Rand 10 und nicht durch eine Verdickung des gesamten Ventils 4 erzielt wird.
  • 3 zeigt schematisch Schritte eines Verfahrens zum Betreiben des Verbrennungsmotors mit dem Zylinderkopf 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einem Schritt 20 wird in herkömmlicher Weise an dem Ladungswechselorgan ein Druckgefälle erzeugt, das eine hohe Strömungsgeschwindigkeit bewirkt. In einem Schritt 30 wird die Kurbelwinkelfensterlage ermittelt, die für das Erreichen einer Überschallströmung hinter dem Ventil notwendig ist. In einem Schritt 40 erfolgt die Ermittlung des Kraftstoffdruckes, der erforderlich ist, um die gewünschte Kraftstoffmenge während des Kurbelwinkelfensters einspritzen zu können. In einem Schritt 50 wird der ermittelte Kraftstoffdruck eingestellt, und in einem Schritt 60 werden die Flugverdampfungszeit des eingespritzten Kraftstoffs und der Einspritzbeginn ermittelt.
  • Bei diesem Verfahren werden demnach sowohl der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Ventils 4 als auch der Einspritzzeitpunkt und der Kraftstoffdruck optimiert.
  • 4 zeigt schematisch mit der Kurve 70 den Verlauf des Kolbenwegs, beginnend am oberen Totpunkt (OT), mit der Kurve 71 den Verlauf des Brennraumvolumens, mit der Kurve 72 den Verlauf des Brennraumdrucks, mit der gestrichelten Kurve 73 den Verlauf und des Ladungswechsels d. h. den Öffnungszeitraum des Ventils 4 und mit der durchgezogenen Kurve 74 den Zeitraum der Einspritzung in dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Dabei ist in 4 erkennbar, dass das Ventil 4 bei Erreichen eines maximalen Druckgefälles, d. h. eines minimalen Brennraumdruckes, öffnet. Der Zeitraum der Einspritzung liegt in dem Zeitraum des geöffneten Ventils 4, jedoch ist er kürzer und sein Beginn ist dem Öffnungszeitpunkt des Ventils 4 nachgeordnet. So wird sichergestellt, dass zum Zeitpunkt der Einspritzung bereits eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht ist. Das längere Offenstehen des Ventils 4 nach Abschluss der Einspritzung bewirkt ein Nachspülen mit Frischluft bzw. Luft und vermindert die Wandfilmbildung.
  • 5 zeigt schematisch ein Diagramm zur Ermittlung des Öffnungszeitpunktes des Ventils 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auf der Ordinate ist der Zylinderdruck bzw. der Ventilhub aufgetragen, auf der Abszisse der Kurbelwinkel. Die Kurve 80 beschreibt den Verlauf des Zylinderdrucks, die Kurven 81 bzw. 82 den Verlauf des Ventilhubs des Auslass- bzw. Einlassventils. Mit dem Bezugszeichen 83 ist die Zunahme des Unterdruckes im Brennraum gekennzeichnet, der Pfeil 84 markiert das abrupte Ende der Zunahme durch das Öffnen des Einlassventils. Das Einlassventil wird geöffnet, wenn der Unterdruck groß genug zur Erzeugung einer Überschallströmung ist. In dem darauf folgenden Zeitraum, der mit dem Bezugszeichen 85 gekennzeichnet ist, wird der Kraftstoffdruck derart optimiert, dass eine Einspritzung während einer bestehenden Überschallströmung am Einlassventil stattfindet. Der durch die Kurve 82 gekennzeichnete Ventilhub des Einlassventils ist, wie die Pfeile 86 und 87 andeuten, variabel abhängig davon, welcher Öffnungszeitraum und Ventilhub für die Erzeugung eines möglichst homogenen Gemisches bzw. zur Erzielung der gewünschten Zylinderfüllung erforderlich sind.
  • Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Einlasskanal
    3
    Brennraum
    4
    Ventil
    5
    Pfeil
    6
    Ventilsitz
    7
    Dichtfläche
    8
    Kontur
    9
    Hochdruckkanaleinspritzvorrichtung
    10
    umlaufender Rand
    11
    Seite
    12
    Übergangsbereich
    13
    erster Bereich
    14
    zweiter Bereich
    20
    Schritt
    30
    Schritt
    40
    Schritt
    50
    Schritt
    60
    Schritt
    70
    Kurve
    71
    Kurve
    72
    Kurve
    73
    Kurve
    74
    Kurve
    80
    Kurve
    81
    Kurve
    82
    Kurve
    83
    Kurve
    84
    Pfeil
    85
    Zeitraum
    86
    Pfeil
    87
    Pfeil
  • 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
    • EP 1683957 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Zylinderkopf (1) für einen Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist: – zumindest einen Einlasskanal (2) zur Zufuhr von Luft und Kraftstoff; – zumindest einen Brennraum (3); – zumindest einen Übergangsbereich (12) zwischen dem zumindest einen Einlasskanal (2) und dem zumindest einen Brennraum (3); wobei ein Strömungsweg für Luft und Kraftstoff durch den Einlasskanal (2) und den Übergangsbereich (12) in den Brennraum (3) gebildet ist, wobei der Querschnitt des Strömungsweges in Strömungsrichtung der Luft und des Kraftstoffs in einem ersten Bereich vor dem Übergangsbereich (12) abnimmt, im Übergangsbereich (12) ein Minimum aufweist und in Strömungsrichtung hinter dem Übergangsbereich (12) in einem zweiten Bereich wieder zunimmt, wobei ein Konturverlauf (8) des Strömungsweges glatt ist.
  2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, wobei im Übergangsbereich (12) zumindest ein ein Absperrorgan aufweisendes Ladungswechselorgan angeordnet ist, wobei der Einlasskanal (2) mittels des Absperrorgans von dem Brennraum (3) trennbar ist.
  3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 2, wobei sich der erste Bereich mindestens 4 Millimeter und höchstens 10 Millimeter von dem Übergangsbereich entgegen der Strömungsrichtung in den Einlasskanal (2) erstreckt und wobei sich der zweite Bereich mindestens 4 Millimeter von dem Übergangsbereich in Strömungsrichtung in den Einlasskanal (2) erstreckt.
  4. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für den Querschnitt AM des Strömungsweges im Übergangsbereich (12) gilt AM ≤ 0,5 A1 und AM ≤ 0,5 A2, wobei A1 den Querschnitt des Strömungsweges im Einlasskanal (2) und A2 den Querschnitt des Strömungsweges im Brennraum (3) bezeichnet.
  5. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für den Querschnitt AM des Strömungsweges im Übergangsbereich (12) gilt AM ≤ 0,3 A1 und AM ≤ 0,3 A2, wobei A1 den Querschnitt des Strömungsweges im Einlasskanal (2) und A2 den Querschnitt des Strömungsweges im Brennraum (3) bezeichnet.
  6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Absperrorgan als Ventil (4), als Schieber oder als Klappe ausgebildet ist.
  7. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 6, wobei das Absperrorgan als Ventil (4) ausgebildet ist und auf seiner dem Brennraum (3) zugewandten Seite (11) einen umlaufenden Rand (10) aufweist, der in den Brennraum (3) hineinragt und den Konturverlauf (8) des Strömungsweges in den Brennraum (3) hinein verlängert.
  8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Einlasskanal (2) eine zur Aufnahme einer Kanaleinspritzeinrichtung (9) geeignete Öffnung angeordnet ist.
  9. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, der weiter eine in der Öffnung angeordnete Kanaleinspritzeinrichtung (9) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlasskanal (2) aufweist.
  10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kanaleinspritzeinrichtung (9) als Hochdruckkanaleinspritzeinrichtung ausgebildet ist und einen Kraftstoffdruck p aufweist mit 40bar ≤ p ≤ 120 bar.
  11. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der einen Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Öffnungszeitpunkt des Absperrorgans, der Kraftstoffdruck und der Einspritzzeitpunkt optimiert werden, um eine Überschallströmung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft zu erreichen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Optimierung des Öffnungszeitpunkts des Absperrorgans, des Kraftstoffdrucks und des Einspritzzeitpunkts folgendes umfasst: – Ermittlung eines Kurbelwinkelfensters für eine Überschallströmung hinter dem Absperrorgan; – Ermittlung des Kraftstoffdruckes, der erforderlich ist, um eine festgelegte Kraftstoffmasse während des Kurbelwinkelfensters einspritzen zu können; – Ermittlung der Flugzeit des eingespritzten Kraftstoffs von der Kanaleinspritzeinrichtung (9) zum Absperrorgan; – Ermittlung des Einspritzzeitpunktes.
  14. Computerprogrammprodukt, das, wenn es auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 durchzuführen.
  15. Computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 14 gespeichert ist.
DE201310017753 2013-10-24 2013-10-24 Zylinderkopf und Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors Withdrawn DE102013017753A1 (de)

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