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Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine solche Brennkraftmaschine wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt.
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Die der Erfindung nächst kommende
DE 10 2014 208 723 A1 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
DE 10 2014 208 723 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes einer derartigen Brennkraftmaschine. Mit der
DE 10 2014 208 723 A1 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 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.
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Mit der
JP S60 - 98 123 A ist ein Ansaugsystem für einen Dreizylindermotor bekannt geworden, bei welchem die im Inneren eines Kanals strömende Ansaugluft gleichmäßig in die beiden Ansaugkanäle strömt. Außerdem strömt sie in einem Zylinder über eine Ansaugöffnung, ein Ansaugventil oder eine andere Ansaugöffnung und ein anderes Ansaugventil und erzeugt so einen Drall mit gleicher Geschwindigkeit. Andererseits wird eine Rohrleitung, die von dem Ansaugkanal bis zu einer Ansaugöffnung reicht, in eine geradlinige oder nahezu ungekrümmte Form gebracht, wodurch der Rohrwiderstand minimiert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine selbstzündende Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mittels eines Hybrid-Brennverfahrens mit Selbstzündung betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der selbstzündenden Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der selbstzündenden Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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Erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens drei Zylinder bzw. Brennräume miteinander verbunden werden bzw. sind. Zur Ausbildung einer zufriedenstellenden, d.h. die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen, wodurch die konstruktive Auslegung insbesondere des Zylinderkopfes beeinflusst und erschwert wird.
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Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre der Zylinder. Eine im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.
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Der Zylinderkopf dient regelmäßig der Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe. Häufig wird zur Betätigung eines Ventils einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung.
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Eine Ventilbetätigungseinrichtung umfasst dabei regelmäßig eine Nockenwelle mit einem Nocken, wobei obenliegende Nockenwellen, d.h. Nockenwellen, die oberhalb der Trennebene zwischen Kopf und Block liegen, häufig am Zylinderkopf gelagert sind. Als weiteres Ventiltriebsbauteil kann die Ventilbetätigungseinrichtung einen Schwinghebel, einen Kipphebel oder einen Stößel als Nockenfolgeelement umfassen.
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Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die Auslassöffnungen und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die Einlassöffnungen der Zylinder. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung freizugeben bzw. zu versperren.
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Der für das Ventil erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich des Ventils wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebs die Zylinderöffnung des Zylinders rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, 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 Zylinders bzw. ein effektives, d.h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten.
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Aus diesem Grunde werden die Zylinder einer Brennkraftmaschine häufig mit zwei oder mehr Einlassöffnungen und zwei oder mehr Auslassöffnungen ausgestattet.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, weist je Zylinder nur eine Einlassöffnung und nur eine Auslassöffnung auf, wodurch die Konstruktion der Brennkraftmaschine vereinfacht wird und die Kosten gesenkt werden können. Erschwert wird hingegen der Ladungswechsel, insbesondere die Füllung des Zylinders mit Verbrennungsluft, weshalb es Probleme bereitet, ein zufriedenstellendes Leistungsangebot zu realisieren. Um den Ladungswechsel zu verbessern, ist man bemüht, die Einlassöffnung und die Auslassöffnung möglichst groß auszuführen.
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Groß ausgeführte Zylinderöffnungen erschweren aber regelmäßig eine vorteilhafte mittige Anordnung der zylinderzugehörigen Einspritzdüse. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist nämlich eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
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Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung, weshalb bei einer Direkteinspritzung des Kraftstoffes Verfahren zur Gemischbildung erforderlich sind, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung weitestgehend zu homogenisieren.
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Eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff kann erzielt werden, wenn der Einlassströmung - beim Ansaugen der Luft in den Brennraum - eine Bewegung aufgezwungen wird, wodurch im Brennraum eine Ladungsbewegung erzeugt wird.
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Beispielsweise kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Drall ist ein Luftwirbel, dessen Achse parallel - und damit häufig koaxial - zur Kolbenlängsachse, d.h. Zylinderlängsachse verläuft. Ein Tumble hingegen ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche quer bzw. senkrecht zur Zylinderlängsachse und nach dem Stand der Technik parallel zur Längsachse, d.h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft.
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Die Anordnung und die Geometrie des Ansaugsystems, d.h. der Ansaugleitung, hat maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung, wobei die Ladungsbewegung im Zylinder durch die Brennraumgeometrie mit beeinflusst wird, insbesondere durch die Geometrie des Kolbenbodens bzw. einer gegebenenfalls im Kolbenboden vorgesehenen Kolbenmulde. Nach dem Stand der Technik werden bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen regelmäßig zur Kolbenlängsachse rotationssymmetrische Mulden verwendet, insbesondere omegaförmige Mulden. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf ist eine Optimierung der Ansaugleitungen in Hinblick auf die Gemischbildung und den Ladungswechsel gegebenenfalls nicht oder aber nicht vollumfänglich möglich.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, sowie die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden in der Regel unter Ausbildung mindestens eines Krümmers jeweils zusammengeführt.
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Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, werden die Ansaugleitungen unter Ausbildung eines Ansaugkrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammengeführt.
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Regelmäßig werden die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt, d.h. der Abgaskrümmer vollständig in den Zylinderkopf integriert. Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich auch durch eine sehr kompakte Bauweise aus, die ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit gestattet. Zudem kann an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, in der Art, dass der Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden muss.
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Die Verwendung eines Zylinderkopfes mit integriertem Krümmer führt auch zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
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Der Zylinderkopf einer modernen Brennkraftmaschine ist in der Regel thermisch höher belastet und stellt daher auch erhöhte Anforderungen an die Kühlung, insbesondere wenn der Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet ist und/oder die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist.
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Verfügt die Brennkraftmaschine über eine Flüssigkeitskühlung, wird im Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel ausgebildet, der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchführt, was eine komplexere Zylinderkopfstruktur bedingt.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen - mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader - aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration des Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen.
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Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen muss darüber hinaus die Einspritzeinrichtung jedes Zylinders im Zylinderkopf brennraumnah angeordnet werden. Dies bereitet insbesondere Probleme bei Brennkraftmaschinen mit zwei Ventilen je Zylinder, bei denen die Einlassöffnung und die Auslassöffnung möglichst groß ausgebildet werden sollen, um einen zufriedenstellenden Ladungswechsel zu realisieren, d.h. sowohl eine gute Füllung des Zylinders als auch ein effektives Abführen der Verbrennungsgase zu gewährleisten.
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Die beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf führen nach dem Stand der Technik dazu, dass die Einspritzdüse außermittig und gegenüber der Zylinderlängsachse geneigt angeordnet wird. Diese Anordnung der Einspritzdüse erschwert eine möglichst weiträumige und gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum. Der Gemischbildung und Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist dies überaus abträglich.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit zwei Ventilen je Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die sich durch eine verbesserte Gemischbildung auszeichnet und eine zufriedenstellendes Leistungsangebot bereitstellt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf umfassend fünf entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder, von denen zwei Zylinder außenliegende Zylinder sind und ein Zylinder ein mittig liegender Zylinder ist, wobei zwischen dem mittig liegenden Zylinder und einem außenliegenden Zylinder jeweils ein innenliegender Zylinder angeordnet ist, bei der
- - jeder Zylinder eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft in den Zylinder via Ansaugsystem aufweist, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung anschließt und die Ansaugleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Ansaugkrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen,
- - jeder Zylinder eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- - jede Einlassöffnung mit einem Einlassventil und jede Auslassöffnung mit einem Auslassventil ausgestattet ist,
- - jeder Zylinder einen mit einer Kurbelwelle gelenkig verbundenen Kolben umfasst, der bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Zylinderlängsachse oszilliert, wobei die Zylinderlängsachse senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht, und
- - jeder Zylinder mit einer Einspritzdüse zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Zylinder ausgestattet ist,
- - die zylinderzugehörige Einspritzdüse abstandslos zur Zylinderlängsachse mittig angeordnet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - - die zylinderzugehörige Einspritzdüse entlang der Zylinderlängsachse ausgerichtet ist,
- - der Ansaugkrümmer asymmetrisch in der Art ausgebildet ist, dass die Gesamtansaugleitung bezüglich des Krümmers außermittig angeordnet ist,
- - benachbart zu einem ersten außenliegenden Zylinder an einer vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes ein Zugmitteltrieb vorgesehen ist, und
- - die Einlassventile und die Auslassventile beabstandet zueinander und in Reihe angeordnet sind entlang einer Achse des Zylinderkopfes, die parallel zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft.
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Jeder Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einer Einspritzdüse ausgestattet, die zentral, d.h. mittig im Zylinder angeordnet ist, nämlich abstandslos zur Zylinderlängsachse. Zudem ist die Einspritzdüse entlang der Zylinderlängsachse und damit in Richtung des Kolbenbodens ausgerichtet.
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Diese Anordnung der Einspritzdüse gewährleistet bzw. ermöglicht eine weiträumige und gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum, wodurch die Gemischbildung im Zylinder unterstützt wird, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit.
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Damit wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit zwei Ventilen je Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die sich durch eine verbesserte Gemischbildung auszeichnet und eine zufriedenstellendes Leistungsangebot bereitstellt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorliegend verfügt der Zylinderkopf über einen asymmetrisch ausgebildeten Ansaugkrümmer, bei dem die Gesamtansaugleitung nicht in der Mitte des Krümmers angeordnet ist, sondern außermittig.
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Dadurch lässt sich bei Zylinderköpfen mit drei, vier oder fünf Zylindern die Gesamtansaugleitung gleichweit beabstandet zu einer vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes anordnen. Dies bietet beispielsweise Vorteile, wenn an der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes ein Zugmitteltrieb vorgesehen ist und zwischen der vorderen Stirnseite und der Gesamtansaugleitung ein von diesem Zugmitteltrieb antreibbarer Generator anzuordnen ist.
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Unabhängig von der jeweiligen Zylinderanzahl kann dann ein baugleicher Generator verwendet werden, der bei Zylinderköpfen unterschiedlicher Zylinderzahl an dergleichen Stelle platziert, befestigt und mit der übrigen den Generator umgebenden Struktur vernetzt bzw. verbunden wird.
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Das vorstehend Gesagte gilt beispielweise für eine Motorenfamilie, die Zylinderköpfe mit drei, vier und gemäß der Erfindung fünf Zylindern umfasst. Bei Zylinderköpfen mit vier Zylindern könnte der Ansaugkrümmer dann symmetrisch ausgebildet werden, in der Art, dass die Gesamtansaugleitung mittig zwischen den beiden innenliegenden Zylindern, d.h. zwischen dem zweiten und dritten Zylinder angeordnet ist. Bei Zylinderköpfen mit drei und gemäß der Erfindung fünf Zylindern wird der Ansaugkrümmer asymmetrisch ausgebildet und zwar in der Art, dass die Gesamtansaugleitung außermittig angeordnet ist, aber wieder zwischen dem zweiten und dritten Zylinder, wobei die Zylinder ausgehend von der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes aufsteigend durchnummeriert werden; von eins bis drei bzw. von eins bis fünf.
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Die außermittige Anordnung der Gesamtansaugleitung, d.h. der erfindungsgemäß asymmetrisch ausgebildete Ansaugkrümmer lässt sich auch im Zusammenhang mit anderen Bauteilen der Brennkraftmaschine, insbesondere Nebenaggregaten, vorteilhaft nutzen und zwar immer dann, wenn davon profitiert werden kann, dass die Gesamtansaugleitung unabhängig von der Zylinderanzahl des Zylinderkopfes unverändert zwischen dem zweiten und dritten Zylinder angeordnet ist. Dazu können auch die Hochdruckpumpe einer Kraftstoffdirekteinspritzung und/oder der Kompressor einer Klimaanlage gehören, die unabhängig von der Zylinderanzahl ohne Änderung verbaut werden können, solange der Generator an gleicher Stelle platziert wird. Der Verdichter einer Aufladung ist in diesem Zusammenhang ebenfalls zu nennen.
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Denkbar ist, dass der Zylinderkopf drei Zylinder aufweist, von denen zwei Zylinder außenliegende Zylinder sind und ein Zylinder ein innenliegender Zylinder ist, der zwischen den beiden außenliegenden Zylindern angeordnet ist.
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Bei einem Drei-Zylinder-Reihenmotor weisen die Zylinder bezüglich ihrer Arbeitsprozesse einen Versatz von 240°KW auf, so dass die Ladungswechsel, insbesondere das Zuführen von Verbrennungsluft, nacheinander, d.h. getrennt voneinander ablaufen, gelegentlich auch mit einer - dann aber geringen - Überschneidung. Eine außermittige Anordnung der Gesamtansaugleitung, d.h. asymmetrische Ausbildung des Ansaugkrümmers beeinflusst den Ladungswechsel regelmäßig nicht.
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Wie oben bereits erwähnt, ist benachbart zu einem ersten außenliegenden Zylinder an einer vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes ein Zugmitteltrieb vorgesehen. Zur Unterscheidung der beiden außenliegenden Zylinder werden diese zwei Zylinder nummeriert und vorliegend als erster bzw. zweiter außenliegender Zylinder bezeichnet. Der erste außenliegende Zylinder ist der erste Zylinder, wenn die Zylinder ausgehend von der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes aufsteigend von eins bis drei durchnummeriert werden.
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Als Zugmitteltriebe können Riementriebe und Kettentriebe eingesetzt werden, bei denen als Zugmittel ein Riemen bzw. eine Kette verwendet wird. Regelmäßig wird ein Teil der in der Brennkraftmaschine durch die chemische Umsetzung des Kraftstoffes gewonnenen Leistung genutzt, um die für den Betrieb der Brennkraftmaschine oder des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregate, insbesondere die Einspritzpumpe, die Ölpumpe, die Kühlmittelpumpe, die Lichtmaschine bzw. den Generator und dergleichen oder die für die Steuerung eines Ventils erforderliche Nockenwelle eines Ventiltriebs anzutreiben.
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Ein Zugmitteltrieb umfasst neben dem Zugmittel regelmäßig ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes antreibendes Rad sowie mindestens ein weiteres Rad, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel um die Räder geführt ist. Häufig ist eine Spanneinrichtung vorgesehen, welche das Zugmittel kraftbeaufschlagt, in das Zugmittel unter Ausbildung einer Kontaktzone eingreift und auf diese Weise das Zugmittel spannt.
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Möglich sind bei Zylinderköpfen mit drei Zylindern Ausführungsformen, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder mittig zwischen dem innenliegenden Zylinder und einem außenliegenden Zylinder zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Bei einem Zylinderkopf derselben Motorenfamilie mit vier Zylindern könnte der Ansaugkrümmer dann symmetrisch ausgebildet werden, in der Art, dass die Gesamtansaugleitung mittig zwischen den beiden innenliegenden Zylindern, d.h. zwischen dem zweiten und dritten Zylinder angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder mittig zwischen dem innenliegenden Zylinder und einem zweiten außenliegenden Zylinder zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen. Der zweite außenliegende Zylinder ist vorliegend der dritte Zylinder, wenn die Zylinder ausgehend von der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes aufsteigend von eins bis drei durchnummeriert werden.
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Bei Zylinderköpfen mit drei Zylindern, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder mittig zwischen dem innenliegenden Zylinder und einem außenliegenden Zylinder zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen, sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Ansaugleitungen des innenliegenden Zylinders und des außenliegenden Zylinders, zwischen denen mittig die Gesamtansaugleitung angeordnet ist, symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene S, die mittig zwischen den beiden Zylindern verläuft und senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes steht.
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Bei einem Zylinderkopf derselben Motorenfamilie mit vier Zylindern könnte der Ansaugkrümmer dann symmetrisch ausgebildet werden, in der Art, dass die Ansaugleitungen des Krümmers bezüglich einer Mittelebene S, die mittig zwischen den beiden innenliegenden Zylindern, d.h. zwischen dem zweiten und dritten Zylinder, angeordnet ist, symmetrisch ausgebildet sind.
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Bei Zylinderköpfen, die drei in Reihe angeordnete Zylinder aufweisen, sind Ausführungsformen denkbar, bei denen zunächst die Ansaugleitung eines ersten außenliegenden Zylinders und die Ansaugleitung des innenliegenden Zylinders zusammenführen, bevor diese zusammen mit der Ansaugleitung eines zweiten außenliegenden Zylinders zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Bei Zylinderköpfen mit drei Zylindern, bei denen benachbart zu einem ersten außenliegenden Zylinder an einer vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes ein Zugmitteltrieb vorgesehen ist, sind Ausführungsformen denkbar, bei denen zwischen der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes und der Gesamtansaugleitung ein Generator vorgesehen ist.
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Bei Zylinderköpfen, die drei in Reihe angeordnete Zylinder aufweisen, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen denkbar, bei denen zunächst die Ansaugleitung eines ersten außenliegenden Zylinders und die Ansaugleitung des innenliegenden Zylinders zusammenführen, bevor diese zusammen mit der Ansaugleitung eines zweiten außenliegenden Zylinders zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Möglich können auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen der Zylinderkopf vier in Reihe angeordnete Zylinder umfasst, wobei der Ansaugkrümmer symmetrisch in der Art ausgebildet ist, dass die Gesamtansaugleitung bezüglich des Krümmers mittig angeordnet ist. Es wird Bezug genommen auf die Erläuterungen, die im Zusammenhang mit einem Vier-Zylinder-Reihenmotor bereits gemacht wurden, insbesondere auf die herausgestellten Vorteile, die sich ergeben, falls der Vier-Zylinder-Reihenmotor einer Motorenfamilie angehört.
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Wie bereits erwähnt, umfasst der Zylinderkopf fünf Zylinder, von denen zwei Zylinder außenliegende Zylinder sind und ein Zylinder ein mittig liegender Zylinder ist, wobei zwischen dem mittig liegenden Zylinder und einem außenliegenden Zylinder jeweils ein innenliegender Zylinder angeordnet ist.
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Wie oben beschrieben, ist benachbart zu einem ersten außenliegenden Zylinder an einer vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes ein Zugmitteltrieb vorgesehen.
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Bei Zylinderköpfen, die fünf in Reihe angeordnete Zylinder aufweisen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder mittig zwischen dem mittig liegenden Zylinder und einem innenliegenden Zylinder zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen der Zylinder mittig zwischen dem mittig liegenden Zylinder und einem innenliegenden Zylinder, welcher zu einem ersten außenliegenden Zylinder benachbart ist, zu der Gesamtansaugleitung zusammenführen. Der erste außenliegende Zylinder ist vorliegend der erste Zylinder, wenn die Zylinder ausgehend von der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes aufsteigend von eins bis fünf durchnummeriert werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen des mittig liegenden Zylinders und des innenliegenden Zylinders, zwischen denen mittig die Gesamtansaugleitung angeordnet ist, symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene S, die mittig zwischen den beiden Zylindern verläuft und senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes steht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Die Ansaugleitungen der Zylinder führen dann unter Ausbildung eines im Zylinderkopf integrierten Ansaugkrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammen. Diese Maßnahme führt zu einem kleinen Volumen und einer kleinen Oberfläche des Ansaugsystems im Bereich des Ansaugkrümmers mit den bereits genannten Vorteilen. Zudem vereinfacht sich die Montage und es ergeben sich Kostenvorteile.
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Der 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.
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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.
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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. Wird Abgas zurückgeführt, enthält die Verbrennungsluft neben Frischluft auch Abgas.
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Vorteilhaft können aber nichtsdestotrotz auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die Ansaugleitungen außerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.
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Wie bereits erwähnt, sind die Einlassventile und die Auslassventile beabstandet zueinander und in Reihe angeordnet entlang einer Achse des Zylinderkopfes, die parallel zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft. Die Längsachse des Zylinderkopfes ist eine spezielle Achse, verläuft parallel zur Drehachse der Kurbelwelle und zeichnet sich gegenüber anderen Achsen des Zylinderkopfes dadurch aus, dass sie die Zylinderlängsachsen schneidet.
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Die beiden zylinderzugehörigen Ventile sind nicht paarweise gegenüberliegend auf unterschiedlichen Seiten der Kurbelwelle angeordnet, sondern vielmehr entlang der Kurbelwelle. Sämtliche Ventile des Zylinderkopfes sind gemäß der vorstehenden Ausführungsform hintereinander entlang einer Achse bzw. der Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet und damit in Richtung der Kurbelwelle. Die Ventile sind dabei entlang einer Achse aufgereiht, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft, welche auch die Drehachse der Kurbelwelle darstellt.
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Dieses konstruktive Merkmal bildet die Grundlage für ein kostengünstiges Konzept. Das Einlassventil und das Auslassventil eines Zylinders können dabei grundsätzlich von einer gemeinsamen einzelnen Nockenwelle betätigt werden.
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Die in Richtung der Kurbelwelle in Reihe hintereinander angeordneten Ventile ermöglichen es trotz der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf, der zu einer Einlassöffnung führenden Ansaugleitung eine Gestalt zu geben, welche bei geöffneter Einlassöffnung im Rahmen eines Ladungswechsels die Ausbildung einer Ladungsbewegung ermöglicht bzw. gewährleistet. Wie bereits erwähnt, haben die Anordnung und die Geometrie der Ansaugleitung maßgeblichen Einfluss auf die Ladungsbewegung im Zylinder.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen eine gemeinsame Nockenwelle zur Betätigung der Einlassventile und der Auslassventile vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die gemeinsame Nockenwelle außermittig und auslassseitig angeordnet und am Zylinderkopf gelagert ist.
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Dieses Konzept führt in der Regel zu längeren Ansaugleitungen und kürzeren Abgasleitungen, aber auch zu einem verbesserten Ladungswechsel und damit zu einem höheren Leistungsangebot, weil das Durchflussverhalten der Einlassöffnung weniger empfindlich ist hinsichtlich einer gegenüber der Ansaugleitung geneigten Anordnung des Einlassventils als dies für die Abgasleitung und das zugehörige Auslassventil der Fall ist. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass die Gestaltung der Ansaugleitung im Hinblick auf die Ladungsbewegung im Zylinder erfolgt - häufig spiralförmig - und die Abgasleitung regelmäßig eher geradlinig ausgebildet wird.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die gemeinsame Nockenwelle außermittig und einlassseitig angeordnet und am Zylinderkopf gelagert ist.
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Die gemeinsame Nockenwelle wird zwar vorzugsweise im Zylinderkopf gelagert, kann aber grundsätzlich auch in einer separaten Nockenwellen-Trägereinheit gelagert werden.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einlassventile und die Auslassventile gegenüber der zugehörigen Zylinderlängsachse geneigt sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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In der Folgenden Figurenbeschreibung zeigt
- 1 schematisch und in der Draufsicht die Ansaugleitungen und die Abgasleitungen eines drei Zylinder umfassenden Zylinderkopfes der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, und
- 2 schematisch und in der Draufsicht die Ansaugleitungen und die Abgasleitungen eines vier Zylinder umfassenden Zylinderkopfes der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch und in der Draufsicht die Ansaugleitungen 4 und die Abgasleitungen 8 eines drei Zylinder 3 umfassenden Zylinderkopfes 1 der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
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Der Zylinderkopf 1 verfügt über drei Zylinder 3, die entlang der Längsachse 2 des Zylinderkopfes 1 bzw. entlang einer Parallelen 2 zur Zylinderkopflängsachse, d.h. in Reihe angeordnet sind, und somit über zwei außenliegende Zylinder 3a1, 3a2 und einen innenliegenden Zylinder 3b.
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Ausgehend von der vorderen Stirnseite des Zylinderkopfes 1 bildet der erste Zylinder 3 den ersten außenliegenden Zylinder 3a1, der zweite Zylinder 3 den innenliegenden Zylinder 3b und der dritte Zylinder 3 den zweiten außenliegenden Zylinder 3a2, wenn die Zylinder 3 aufsteigend von eins bis drei durchnummeriert werden.
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Jeder Zylinder 3 verfügt über eine Einlassöffnung zum Zuführen von Verbrennungsluft via Ansaugsystem, wobei sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung 4 anschließt. Die Ansaugleitungen 4 der Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines Ansaugkrümmers 7 zu einer Gesamtansaugleitung 6 zusammen. Der Ansaugkrümmer 7 ist asymmetrisch ausgebildet und zwar in der Art, dass die Gesamtansaugleitung 6 bezüglich des Krümmers 7 außermittig angeordnet ist.
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Die Ansaugleitungen 4 der drei Zylinder 3 führen mittig zwischen dem innenliegenden Zylinder 3b, d.h. dem zweiten Zylinder 3, und dem zweiten außenliegenden Zylinder 3a2, d.h. dem dritten Zylinder 3, zu der Gesamtansaugleitung 6 zusammen.
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Die Ansaugleitungen 4 des innenliegenden Zylinders 3b und des zweiten außenliegenden Zylinders 3a2, zwischen denen mittig die Gesamtansaugleitung 6 angeordnet ist, sind symmetrisch ausgebildet bezüglich einer Mittelebene S, die mittig zwischen den beiden Zylindern 3a2, 3b verläuft und senkrecht auf der Längsachse 2 des Zylinderkopfes 1 steht.
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Zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem ist jeder Zylinder 3 mit einer Auslassöffnung ausgestattet, an die sich jeweils eine Abgasleitung 8 anschließt.
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2 zeigt schematisch und in der Draufsicht die Ansaugleitungen 4 und die Abgasleitungen 8 eines vier Zylinder 3 umfassenden Zylinderkopfes 1 der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 sowie die dazugehörige Beschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Der Ansaugkrümmer 7 ist symmetrisch in der Art ausgebildet, dass die Gesamtansaugleitung 6 bezüglich des Krümmers 7 mittig angeordnet ist. Die Ansaugleitungen 4 der vier Zylinder 3 führen mittig zwischen den beiden innenliegenden Zylindern 3 zusammen, d.h. zwischen dem zweiten Zylinder 3 und dem dritten Zylinder 3. Dadurch ergibt sich eine Gemeinsamkeit mit dem in 1 dargestellten Ansaugkrümmer 7, nämlich betreffend die Anordnung der Gesamtansaugleitung 6.
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Der dargestellte Ansaugkrümmer 7 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors verdeutlicht auch den Ausgangspunkt für die konstruktive Auslegung der Ausführungsform gemäß 1.
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Dies kommt der Zielsetzung bei der konstruktiven Auslegung eines Ansaugsystems entgegen, innerhalb einer Motorenfamilie, die Zylinderköpfe 1 mit unterschiedlich vielen Zylindern 3 umfasst, möglichst viele Gemeinsamkeiten zu schaffen.
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Ausgehend von dem in 2 dargestellten Ansaugkrümmer 7 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors wird die Ansaugleitung 4 des vierten Zylinders 3 weggelassen, um zu dem Ansaugkrümmer 7 der 1 zu gelangen.
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Zu erkennen ist auch, dass die Ansaugleitungen 4 länger sind als die Abgasleitungen 8.
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Bezugszeichen
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Zylinderkopflängsachse, Parallele zur Zylinderkopflängsachse
- 3
- Zylinder
- 3a1
- erster außenliegender Zylinder
- 3a2
- zweiter außenliegender Zylinder
- 3b
- innenliegender Zylinder
- 4
- Ansaugleitung
- 6
- Gesamtansaugleitung
- 7
- Ansaugkrümmer
- 8
- Abgasleitung
- S
- Bezugsebene für die Ansaugleitungen
