DE102014208723A1

DE102014208723A1 - Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014208723A1
Application number: DE102014208723.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bonse; Wilbert Hemink; Sebastiaan Lambertus van den Heuvel
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-10
Also published as: DE102014208723B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens zwei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft in einen zylinderzugehörigen Brennraum via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist, wobei – zu jeder Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) eine Ansaugleitung (51, 52, 53, 54) führt, und – die Ansaugleitungen (51, 52, 53, 54) von mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) unter Ausbildung einer Sammelstelle (7a) und eines Einlasskrümmers (8a, 8b) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes (10) einer derartigen Brennkraftmaschine. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich des Ansaugsystems optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – das zusammenhängende Ansaugsystem (8, 8a, 8b) mindestens eines Zylinderpaares umfassend zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art ausgebildet ist, dass die Ansaugsysteme der zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene (9), die senkrecht auf der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) steht und eine die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) verbindende virtuelle Wegstrecke teilt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft in einen zylinderzugehörigen Brennraum via Ansaugsystem aufweist, wobei

– zu jeder Einlassöffnung eine Ansaugleitung führt, und
– die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung einer Sammelstelle und eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder bzw. Brennräume miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Brennräume der Zylinder, d. h. das Ansaugen der Ladeluft über die Einlassöffnungen. Ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet, kann die Ladeluft neben der aus der Umgebung angesaugten Frischluft auch Abgas enthalten. Wird der Kraftstoff nicht direkt in die Zylinder eingespritzt, sondern beispielsweise stromaufwärts der Zylinder in das Ansaugsystem eingebracht, wird nicht nur die Ladeluft, sondern vielmehr auch der Kraftstoff den Zylindern via Einlassöffnungen zugeführt.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten.
Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden in der Regel unter Ausbildung mindestens eines sogenannten Einlasskrümmers zusammengeführt; häufig zu einer einzelnen Gesamtansaugleitung.
An das Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. So wird unter anderem eine Anordnung und Ausbildung der Ansaugleitungen angestrebt, die zu einem möglichst geringen Druckverlust in der angesaugten Ladeluft führt, um eine gute Füllung der Zylinder zu gewährleisten.
Die Geometrie einer Ansaugleitung hat zudem Einfluss auf die Ladungsbewegung im Brennraum eines Zylinders und damit auf die Gemischbildung, insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Häufig werden die Ansaugleitungen daher im Hinblick auf die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung ausgebildet, um die Gemischbildung zu beschleunigen und zu unterstützen, wobei ein Tumble ein Luftwirbel um eine gedachte Achse ist, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft, und als Drall ein Luftwirbel bezeichnet wird, dessen Achse parallel zur Kolben- bzw. Zylinderlängsachse verläuft.
Während des Ladungswechsels variiert der Druck entlang des Strömungsweges im Ansaugsystem. Derartige lokale Druckschwankungen breiten sich in gasförmigen Medien als Wellen aus. Um diese dynamischen Wellenvorgänge für die Optimierung des Ladungswechsels nutzbar zu machen, kann das Ansaugsystem in der Art ausgelegt werden, dass gegen Ende des Ansaugtaktes an den Einlassöffnungen eine Überdruckwelle ankommt, die zu einer Verdichtung und damit zu einem gewissen Nachladeeffekt führt. Zielführend sind dabei auch in der Länge variable Ansaugleitungen.
In das Ansaugsystem bzw. die Gesamtansaugleitung kann eine Vielzahl von zusätzlichen Leitungen einmünden, beispielsweise die Bypassleitung eines Ladeluftkühlers, die Bypassleitung eines Verdichters oder die Rückführleitung einer externen Abgasrückführung.
Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, ist ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR / (m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte, gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Das Ansaugsystem sollte auch der Problematik Rechnung tragen, dass im Rahmen einer Ladeluftkühlung zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren kann, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. Das ausgeschiedene Kondensat muss auf irgendeine Weise aus dem Ansaugsystem abgeführt werden, gegebenenfalls in die Zylinder der Brennkraftmaschine.
Wird zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine im Ansaugsystem bzw. in der Gesamtansaugleitung ein Verdichter eines Abgasturboladers vorgesehen, sollte dieser Verdichter möglichst nahe am Einlass, d. h. an den Einlassöffnungen der Zylinder, angeordnet sein, um auf diese Weise ein schnelles Ansprechen des Verdichters beim Lastwechsel zu gewährleisten. Das Volumen des Leitungssystems zwischen den Einlassöffnungen der Zylinder und dem Verdichter sollte hierzu möglichst klein sein.
Darüber hinaus können Brennkraftmaschinen mit einer Heizvorrichtung ausgestattet werden, die im Ansaugsystem angeordnet ist und der Erwärmung der Ladeluft dient. Das Erwärmen der Ladeluft kann unterschiedlichen Zielsetzungen dienen, beispielsweise der Verkürzung der Warmlaufphase nach einem Kaltstart. Darüber hinaus kann ein solches Heizelement während der Regeneration eines Partikelfilters zugeschaltet werden, ebenso wenn das Motordrehmoment und die Motordrehzahl einen vorgegebenen Mindestwert unterschreiten.
Zu berücksichtigen ist auch, dass eine zügige Aufheizung der Brennkraftmaschine mittels vorerwärmter Ladeluft zu einer schnelleren, vorliegend indirekten Erwärmung des Motoröls führt. Die damit einhergehende Abnahme der Viskosität bedingt eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern; ein Effekt, der sich vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf die Kohlendioxidemission der Brennkraftmaschine auswirkt.
Die herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Ansaugsysteme weisen hinsichtlich der zahlreichen, vorstehend dargelegten Anforderungen noch erhebliches Verbesserungspotential auf.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Ansaugsystems optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, bei der jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft in einen zylinderzugehörigen Brennraum via Ansaugsystem aufweist, wobei

– zu jeder Einlassöffnung eine Ansaugleitung führt, und
– die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung einer Sammelstelle und eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– das zusammenhängende Ansaugsystem mindestens eines Zylinderpaares umfassend zwei Zylinder in der Art ausgebildet ist, dass die Ansaugsysteme der zwei Zylinder symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene, die senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes steht und eine die zwei Zylinder entlang der Längsachse des Zylinderkopfes verbindende virtuelle Wegstrecke teilt.

Das Ansaugsystem eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes wird zumindest in Teilen symmetrisch ausgebildet. Dabei werden die Ansaugsysteme von mindestens zwei Zylindern hinsichtlich einer Bezugsebene symmetrisch ausgebildet, weshalb die beiden Zylinder auch ein Zylinderpaar im erfindungsgemäßen Sinne bilden, d. h. darstellen. Als Bezugsebene für die spiegelbildliche Ausbildung der beiden zylinderzugehörigen Ansaugsysteme wird eine virtuelle Ebene verwendet, die senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes steht und eine die zwei Zylinder des Paares entlang der Längsachse des Zylinderkopfes verbindende Wegstrecke teilt. Die Bezugsebene liegt dabei immer mittig zwischen den beiden Zylindern und wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher auch als Mittelebene bezeichnet.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Ansaugsystem, bei dem das zylinderzugehörige Ansaugsystem mitsamt Zylinder entsprechend der Zylinderanzahl nachgebildet, d. h. beliebig oft ohne jede Modifikation vervielfältigt wird, kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei der Ausbildung des Ansaugsystems, nämlich die teilweise symmetrische Ausbildung, zu einer Verkleinerung des Volumens und zu einer Verkleinerung der wärmeübertragenden Oberfläche des Ansaugsystems im Bereich des Einlasskrümmers führen.
Ein kleineres Volumen des erfindungsgemäßen Ansaugsystems bzw. des Einlasskrümmers führt zu einem kompakten Ansaugsystem und damit zu einer kompakten Brennkraftmaschine und gestattet gegebenenfalls eine Integration des mindestens einen Einlasskrümmers in den Zylinderkopf. In jedem Fall vereinfacht bzw. ermöglicht das kleinere Volumen die weitestgehende Integration des Ansaugsystems in den Zylinderkopf. Zudem ergeben sich Vorteile beim Einsatz einer Abgasturboaufladung, da ein nahe an den Einlassöffnungen der Zylinder angeordneter Verdichter infolge des kleinen Volumens des stromabwärts gelegenen Ansaugsystems für ein gutes bzw. verbessertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine sorgt.
Eine Verkleinerung der wärmeübertragenden Oberfläche führt zu einem verringerten Wärmeübergang zwischen der im Ansaugsystem befindlichen Ladeluft und dem Material, welches das Ansaugsystem bzw. den Einlasskrümmer bildet und zumindest Teile des Zylinderkopfes mit umfasst. Die verkleinerte Oberfläche unterstützt die Aufheizung der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart und wirkt einer Abkühlung von mittels Heizvorrichtung erwärmter Ladeluft entgegen. Andererseits wird auch eine ungewollte Erwärmung von im Ladeluftkühler gekühlter Ladeluft gehemmt. Letzteres ist bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine vorteilhaft, insbesondere falls eine Aufladung bzw. Abgasrückführung eingesetzt wird, bei der eine Ladeluftkühlung vorzugsweise zum Einsatz kommt.
Das erfindungsgemäß zumindest in Teilen symmetrisch ausgebildete Ansaugsystem hat darüber hinaus weitere Vorteile, da eine spiegelbildliche Ausbildung der beiden zylinderzugehörigen Ansaugsysteme eines Zylinderpaares zu physikalisch, insbesondere strömungstechnisch gleichen, zumindest aber sehr ähnlichen Randbedingungen am Zylindereinlass führt. Insbesondere lassen sich gleiche Drücke bzw. Druckverhältnisse am Zylindereinlass generieren. So gelangen beim Ladungswechsel gleichgroße Ladeluftmengen in die Zylinder und eine beim Einströmen in den Zylinder gegebenenfalls erzeugte Ladungsbewegung fällt bei den beiden Zylindern des betreffenden Zylinderpaares einheitlich aus. In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass jede von Zylinder zu Zylinder auftretende Abweichung bzw. Varianz als nachteilig anzusehen ist und zwar sowohl in thermodynamischer als auch in mechanischer Hinsicht.
Die Ausstattung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem zumindest teilweise symmetrisch ausgebildeten Ansaugsystem löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Ansaugsystems optimiert ist.
Erfindungsgemäß werden die Ansaugsysteme der zwei Zylinder eines Zylinderpaares symmetrisch ausgebildet, d. h. die Ansaugsysteme der Zylinder werden vollständig symmetrisch ausgebildet. Das gesamte einem Zylinder zugehörige Ansaugsystem wird dabei begrenzt durch Ebenen, die senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes stehen und den Zylinder zu den benachbarten zwei Zylindern abgrenzen bzw. bei einem außenliegenden Zylinder zu dem einen benachbarten Zylinder abgrenzt.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen, beispielsweise, wenn mehrere Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind. Dann hat jeder Zylinderkopf mindestens zwei entlang seiner Längsachse in Reihe angeordnete Zylinder. Erfindungsgemäß müssen nicht die Ansaugleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen, sondern nur die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern. Dies lässt insbesondere auch Ausführungsformen zu, bei denen ein Zylinderkopf beispielsweise sechs entlang seiner Längsachse in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Zylinder zwei Gruppen mit jeweils drei Zylindern bilden, wobei die Ansaugleitungen jeder Zylindergruppe jeweils unter Ausbildung eines gruppenzugehörigen Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen. D. h. die Ansaugleitungen können auch zu zwei Gesamtansaugleitungen zusammenführen.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Ansaugleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder symmetrisch ausgebildet sind. Zumindest die außenliegenden Zylinder, beispielsweise eines Drei-Zylinder-Reihenmotors bzw. eines Fünf-Zylinder-Reihenmotors, symmetrisch auszubilden ist besonders vorteilhaft, da die Einlassöffnungen dieser Zylinder am weitesten entfernt und gleich weit entfernt von einer gemeinsamen mittig angeordneten Gesamtansaugleitung entfernt liegen und sich Effekte wie Druckänderungen im Ansaugsystem bei diesen Zylindern am stärksten bemerkbar machen, d. h. zu Tage treten.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene, welche den innenliegenden Zylinder teilt.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder als auch die Ansaugsysteme der beiden zu den außenliegenden Zylindern benachbart angeordneten Zylinder jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Vier oder mehr Zylinder eröffnen die Möglichkeit, mindestens zwei Zylinderpaare mit zwei Zylindern zu bilden und die Ansaugsysteme der zwei Zylinder jeder Zylindergruppe zumindest im Bereich der zylinderzugehörigen Ansaugleitungen symmetrisch auszubilden.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Dann verläuft die Mittelebene zwischen den beiden innenliegenden Zylindern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen. Die Ansaugleitungen der Zylinder führen dann unter Ausbildung eines im Zylinderkopf integrierten Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammen. Diese Maßnahme führt zu einem kleinen Volumen und einer kleinen Oberfläche des Ansaugsystems im Bereich des Einlasskrümmers mit den bereits genannten Vorteilen. Zudem vereinfacht sich die Montage und es ergeben sich Kostenvorteile.
Ein Verdichter eines Abgasturboladers kann nahe an den Einlassöffnungen der Zylinder platziert werden, so dass ein gutes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Das Volumen des Leitungssystems zwischen den Einlassöffnungen der Zylinder und dem Verdichter wird weiter verringert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Einlassöffnungen aufweist, wobei zu jeder Einlassöffnung eine Ansaugleitung führt.
Wie bereits erwähnt, wird im Rahmen des Ladungswechsels eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt, um die Drosselverluste in der einströmenden Ladeluft gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraums zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, mehr als eine Einlassöffnung, d. h. mindestens zwei Einlassöffnungen vorzusehen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung zusammenführen. Andernfalls erhöht sich die Anzahl der aus dem Zylinderkopf austretenden Ansaugleitungen deutlich, was mit Nachteilen hinsichtlich der Montage und Dichtigkeit des Ansaugsystems verbunden ist.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Ansaugleitungen von mindestens zwei Zylindern außerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Zylinder des mindestens einen Zylinderpaares, dessen Ansaugsysteme symmetrisch zueinander ausgebildet sind, auch hinsichtlich eines Verbrennungssystems umfassend einen Brennraum, eine Glüheinrichtung, eine Zündeinrichtung und/oder eine Einspritzeinrichtung bezüglich der entsprechenden Mittelebene symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Die spiegelbildliche Ausbildung der Ansaugsysteme der beiden Zylinder eines Zylinderpaares führt zu physikalisch gleichen bzw. ähnlichen Bedingungen am Zylindereinlass der beiden Zylinder. Die beim Ladungswechsel eingeleiteten Ladeluftmengen sind zumindest vergleichbar groß bzw. gleichgroß und eine im Zylinder generierte Ladungsbewegung einheitlich bzw. ähnlich. Insofern ist es besonders vorteilhaft, die geometrische Ähnlichkeit dadurch zu ergänzen, dass die zwei Zylinder eines Zylinderpaares auch hinsichtlich ihrer Verbrennungssysteme symmetrisch ausgebildet werden, um ähnliche Verbrennungsprozesse, Brennverläufe und Gaskräfte im Zylinder zu generieren und eine zylinderübergreifende Gleichförmigkeit zu schaffen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Zylinder des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich des Brennraums symmetrisch zueinander ausgebildet sind, zumindest in Teilen, vorzugsweise aber vollständig.
Dabei umfasst der Brennraum alle Wandungen, die die Geometrie des Brennraums mit bestimmen, d. h. den Kolben, insbesondere den Kolbenboden und eine gegebenenfalls vorgesehene Kolbenmulde, das Zylinderrohr sowie das Brennraumdach.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mit einer Glüheinrichtung ausgestattet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zwei Zylinder des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Glüheinrichtung symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mit einer Zündeinrichtung ausgestattet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zwei Zylinder des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Zündeinrichtung symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mit einer Einspritzeinrichtung ausgestattet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zwei Zylinder des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Einspritzeinrichtung symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Der Transport und die Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum erfolgen bei einer Direkteinspritzung auch durch den Impuls des Einspritzstrahls, so dass die Anordnung der Einspritzeinrichtung im Brennraum die Gemischbildung und damit die Verbrennung wesentlich beeinflusst.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Ansaugleitung jedes Zylinders des mindestens einen Zylinderpaares im Hinblick auf die Erzeugung einer Ladungsbewegung im Brennraum des Zylinders ausgebildet ist.
Die Geometrie einer Ansaugleitung hat Einfluss auf die Ladungsbewegung im Brennraum des Zylinders und damit auf die Gemischbildung, insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Vorteilhafterweise werden die Ansaugleitungen im Hinblick auf die Erzeugung eines Tumbles oder eines Dralls ausgebildet.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zylinderkopf unter Verwendung eines zumindest bereichsweise symmetrisch ausgebildeten Gusskerns für das Ansaugsystem gegossen wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a, 1b und 1c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
1b schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
1c schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1a zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8a, 8b einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Der Zylinderkopf 10 verfügt über vier Zylinder 1, 2, 3, 4, die entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 in Reihe angeordnet sind. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 werden via Ansaugsystem 8 mit Ladeluft versorgt.
Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 weist zwei Einlassöffnungen 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b zum Zuführen der Ladeluft auf, wobei zu jeder Einlassöffnung 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b eine Ansaugleitung 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ führt. Die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 führen unter Ausbildung einer Sammelstelle 7a und unter Ausbildung eines Einlasskrümmers 8a, 8b zu einer Gesamtansaugleitung 7 zusammen, wobei die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 außerhalb des Zylinderkopfes 10 jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zusammenführen bevor diese Teilansaugleitungen 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammenführen. Folglich setzt sich der in 1a dargestellte Einlasskrümmer 8a, 8b aus einem externen Einlasskrümmer 8a und einem internen Einlasskrümmer 8b zusammen. Vorliegend führen eine Ansaugleitung 5 ₂ des zweiten Zylinders 2 und eine Ansaugleitung 5 ₃ des dritten Zylinders 3 bereits im Zylinderkopf 10 zusammen.
Die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 bilden jeweils ein Zylinderpaar umfassend zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 und zwar in der Art, dass die Ansaugsysteme der zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 eines Paares symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene 9, die senkrecht auf der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 steht und eine die zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 verbindende virtuelle Wegstrecke teilt.
D. h. sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 sind jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet und dies bezüglich derselben Mittelebene 9, welche vorliegend auch die Gesamtansaugleitung 7 teilt.
Darüber hinaus sind die zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 jedes Paares auch hinsichtlich des Verbrennungssystems symmetrisch zueinander ausgebildet und zwar vorliegend hinsichtlich der Zündeinrichtung 1d, 2d, 3d, 4d und der Einspritzeinrichtung 1c, 2c, 3c, 4c. Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 ist mit einer zentral angeordneten Einspritzdüse 1c, 2c, 3c, 4c als Einspritzeinrichtung 1c, 2c, 3c, 4c und einer als Zündeinrichtung 1d, 2d, 3d, 4d dienenden Zündkerze 1d, 2d, 3d, 4d ausgestattet, die für jedes Zylinderpaar bezüglich der Mittelebene 9 jeweils spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
1b zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8a, 8b einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform führen die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 10 jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zusammen bevor diese Teilansaugleitungen 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ dann außerhalb des Zylinderkopfes 10 zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammenführen. Der in 1b dargestellte Einlasskrümmer 8a, 8b setzt sich ebenfalls aus einem externen Einlasskrümmer 8a und einem internen Einlasskrümmer 8b zusammen.
1c zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8b einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform führen die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 10 zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammen. Der in 1c dargestellte Einlasskrümmer 8b ist daher ein interner Einlasskrümmer 8b.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
1a: Einlassöffnung des ersten Zylinders
1b: Einlassöffnung des ersten Zylinders
1c: Einspritzdüse des ersten Zylinders, Einspritzeinrichtung
1d: Zündkerze des ersten Zylinders, Zündeinrichtung
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder
2a: Einlassöffnung des zweiten Zylinders
2b: Einlassöffnung des zweiten Zylinders
2c: Einspritzdüse des zweiten Zylinders, Einspritzeinrichtung
2d: Zündkerze des zweiten Zylinders, Zündeinrichtung
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder
3a: Einlassöffnung des dritten Zylinders
3b: Einlassöffnung des dritten Zylinders
3c: Einspritzdüse des dritten Zylinders, Einspritzeinrichtung
3d: Zündkerze des dritten Zylinders, Zündeinrichtung
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
4a: Einlassöffnung des vierten Zylinders
4b: Einlassöffnung des vierten Zylinders
4c: Einspritzdüse des vierten Zylinders, Einspritzeinrichtung
4d: Zündkerze des vierten Zylinders, Zündeinrichtung
5₁: Ansaugleitung des ersten Zylinders
5₂: Ansaugleitung des zweiten Zylinders
5₃: Ansaugleitung des dritten Zylinders
5₄: Ansaugleitung des vierten Zylinders
6₁: Teilansaugleitung des ersten Zylinders
6₂: Teilansaugleitung des zweiten Zylinders
6₃: Teilansaugleitung des dritten Zylinders
6₄: Teilansaugleitung des vierten Zylinders
7: Gesamtansaugleitung
7a: Sammelstelle
8: Ansaugsystem
8a: externes Ansaugsystem, externer Einlasskrümmer
8b: internes Ansaugsystem, interner Einlasskrümmer
9: Mittelebene
10: Zylinderkopf
10a: Längsachse des Zylinderkopfes
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Frischluftmasse
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens zwei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft in einen zylinderzugehörigen Brennraum via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist, wobei – zu jeder Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) eine Ansaugleitung (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) führt, und – die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) von mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) unter Ausbildung einer Sammelstelle (7a) und eines Einlasskrümmers (8a, 8b) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen, dadurch gekennzeichnet, dass – das zusammenhängende Ansaugsystem (8, 8a, 8b) mindestens eines Zylinderpaares umfassend zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art ausgebildet ist, dass die Ansaugsysteme der zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene (9), die senkrecht auf der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) steht und eine die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) verbindende virtuelle Wegstrecke teilt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens drei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) symmetrisch ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit drei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene (9), welche den innenliegenden Zylinder (2, 3) teilt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens vier entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) als auch die Ansaugsysteme der beiden zu den außenliegenden Zylindern (1, 4) benachbart angeordneten Zylinder (2, 3) jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit vier entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) von mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) innerhalb des Zylinderkopfes (10) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Einlassöffnungen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) aufweist, wobei zu jeder Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) eine Ansaugleitung (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) führt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) von mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) innerhalb des Zylinderkopfes (10) jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung (6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) von mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) außerhalb des Zylinderkopfes (10) jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung (6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares, dessen Ansaugsysteme symmetrisch zueinander ausgebildet sind, auch hinsichtlich eines Verbrennungssystems umfassend einen Brennraum, eine Glüheinrichtung, eine Zündeinrichtung (1d, 2d, 3d, 4d) und/oder eine Einspritzeinrichtung (1c, 2c, 3c, 4c) bezüglich der entsprechenden Mittelebene (9) symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich des Brennraums symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mit einer Glüheinrichtung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Glüheinrichtung symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mit einer Zündeinrichtung (1d, 2d, 3d, 4d) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Zündeinrichtung (1d, 2d, 3d, 4d) symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mit einer Einspritzeinrichtung (1c, 2c, 3c, 4c) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares hinsichtlich der Einspritzeinrichtung (1c, 2c, 3c, 4c) symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ansaugleitung (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) jedes Zylinders (1, 2, 3, 4) des mindestens einen Zylinderpaares im Hinblick auf die Erzeugung einer Ladungsbewegung im Brennraum des Zylinders (1, 2, 3, 4) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes (10) einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (10) unter Verwendung eines zumindest bereichsweise symmetrisch ausgebildeten Gusskerns für das Ansaugsystem (8, 8a, 8b) gegossen wird.