DE10207914A1

DE10207914A1 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10207914A1
Application number: DE10207914A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran; Stephan Mueller; Rainer Bock; Thorsten Unger; Nils Nagel; Markus Eberl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2002-02-23
Filing date: 2002-02-23
Publication date: 2003-09-04
Also published as: WO2003071110A1; EP1481150A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, in dem mindestens ein Einlass- und ein Auslasskanal (10 bis 13) angeordnet sind, die zu einem an einen Zylinderraum (20) angrenzenden Brennraum (8) führen, wobei Ein- und Auslasskanal durch Ventilelemente (4, 6) überwacht sind, einen im Zylinderraum beweglich angeordneten Kolben (24), einem Einspritzventil (18), über das zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist, und eine in den Brennraum hineinragende Zündeinrichtung (26) zur Entflammung des Brennstoff-Luftgemisches, sowie mit einer im Einlasskanal angeordneten Ladungsbewegungseinrichtung. Es wird vorgeschlagen, dass die Ladungsbewegungseinrichtung als verstellbares Klappenelement (16) ausgebildet ist, das bei geschlossener Stellung zwei Teilkanalquerschnitte (14a, 14b) des Einlasskanals (14) freilässt, über die Verbrennungsluft in den Brennraum (8) gelangt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Klappenelementes (16) kann auf einfache Art und Weise insbesondere für die Benzindirekteinspritzung mit Schichtladebetrieb notwendige Drallströmung und Turbulenz erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ottomotoren mit Direkteinspritzung stehen im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten vieler Automobilhersteller. Bei allen derzeitig verwendeten Verfahren der Benzin- Direkteinspritzung - strahlgeführt, wandgeführt, luftgeführt - muss sicher gestellt werden, dass das Brennstoff-Luftgemisch sich auch bei kleinsten Einspritzraten zuverlässig entzündet. Insbesondere bei dem im Teillast angestrebten Schichtladebetrieb (λ >> 1), bei dem der Einspritzzeitpunkt im Gegensatz zum Homogenbetrieb vom Einlasstakt zum Kompressionstakt hin verlagert wird, ist die Zeitspanne bis zur Zündung für eine gute Gemischaufbereitung verkürzt. Um so mehr ist es daher erforderlich, durch eine entsprechende Ladungsbewegung einerseits eine innige Vermischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft innerhalb der Ladungswolke zu erzielen und andererseits ein Transport dieser Gemischwolke zum Zündort sicher zu stellen.
Aus dem Stand der Technik sind sog. Drall- oder Tumble-Klappen bekannt, die im Einlasskanal eines Zylinderkopfes angeordnet sind und die Aufbereitung der Gemischwolke sowie die Zuführung des konzentrierten Gemischs zur Zündkerze unterstützen. Während durch eine Drallklappe eine Ladungsbewegung im Zylinder um die Zylinder-Hochachse mit Drallzentrum zur Zylindermittelachse erzeugt wird, ist durch eine Tumble-Klappe eine Ladungsbewegung um die Zylinder-Querachse erreichbar. So ist beispielsweise aus der DE 44 45 777 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Ansaugkanal des Zylinderkopfes zur Erzeugung einer Tumble-Luftströmung ein mit einer Aussparung versehenes Wirbelsteuerventil angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine insbesondere für einen Vierventil-Motor mit Benzindirekteinspritzung vorgesehene Ladungsbewegungseinrichtung im Einlasskanal der Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine Gemischaufbereitung im Brennraum zuverlässig unterstützt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Das erfindungsgemäße verstellbare Klappenelement zeichnet sich dadurch aus, dass in ihrem geschlossenen Zustand zwei offene Teilkanalquerschnitte verbleiben, über die die Verbrennungsluft unter Ausbildung einer Doppeldrallströmung in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Damit wird eine insbesondere für den Schichtladebetrieb erforderliche intensive Gemischaufbereitung sicher gestellt.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes möglich.
Die Ladungsbewegungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Klappenelement im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist, während der Einlasskanal querovalförmig ausgestaltet ist, so dass bei geschlossener Klappenstellung zwei kreisbogenförmige Teilkanalquerschnitte verbleiben, über die der Verbrennungsluftstrom in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Damit die im Brennraum erzeugte Doppeldrallströmung zusammen mit dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff sicher zum Zündort gelangt, ist auf der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens eine Kolbenmulde vorgesehen, über die das Brennstoff-Luftgemisch wandgeführt zum Zündort gelangt.
Ein Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 die Darstellung eines Klappenelementes im Einlasskanal einer Brennkraftmaschine,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Gemischtransports zum Zündort,
Fig. 4 + 5 eine Draufsicht auf einen Kolben mit schematischer Darstellung der Ladungsbewegung,
Fig. 6 eine Darstellung des Klappenelementes und
Fig. 7 ein Kennfeld zur Darstellung der verschiedenen Stellungen des Klappenelementes.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Der Vierventil-Zylinderkopf 2 weist zwei Einlassventile 4 (in der Schnittdarstellung ist nur ein Einlassventil erkennbar) sowie zwei Auslassventile 6 (nur ein Auslassventil erkennbar) auf. Sowohl die Ein- als auch die Auslassventile 4, 6 überwachen jeweils einen zu einem Brennraum 8 führenden Kanal 10 bis 13, über die auf bekannte Art und Weise die Verbrennungsluft dem Brennraum 8 zugeführt und die bei der Verbrennung entstehenden Abgase abgeführt werden. Die beiden Einlasskanäle, im folgenden als Zweigrohre 10, 11 bezeichnet, sind stromaufwärts vom Brennraum 14 gesehen, zu einem gemeinsamen Kanal 14 zusammen geführt, in der ein an einer Welle 17 befestigtes Klappenelement 16 angeordnet ist, das im folgenden noch näher beschrieben ist.
Im Zylinderkopf 2 findet weiterhin ein Einspritzventil 18 Aufnahme, dessen Kraftstoffstrahl direkt in den Brennraum 8 der Brennkraftmaschine gerichtet ist. An den Brennraum 8 grenzt ein Zylinderraum 20 an, in dem ein mit einer Mulde 22 versehener Kolben 24 bewegbar und über eine nicht dargestellt Kurbelwelle gesteuert, angeordnet ist. Das dem Brennraum 8 zugeführte Kraftstoffgemisch wird mit Hilfe einer in der Mitte des Brennraumdaches angeordneten Zündeinrichtung 26, die in den Zeichnungen nur schematisch als Zündort dargestellt ist, entflammt.
Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Kanalabschnitt 14 querovalförmig ausgebildet, während das im Kanalabschnitt 14 angeordnete Klappenelement, im folgenden als Drallklappe 16 bezeichnet, im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich bei einer geschlossenen Stellung der Drallklappe 16 zwei Teilkanalquerschnitte 14a und 14b, über die auch bei geschlossener Klappenstellung Verbrennungsluft in den Brennraum 8 gelangt. Somit wird bei geschlossener Stellung der Drallklappe 16 eine Doppeldrallströmung 28 erzeugt, die eine intensive Vermischung mit der in den Brennraum 8 eingespritzten Kraftstoffwolke 30 erzeugt. Die Gemischwolke wird, wie anhand der Fig. 3a bis 3c dargestellt, am Ende des Kompressionshubes in der Kolbenmulde 22 zum Zündort 26 geführt und dort entflammt. Die Drallklappe 16 ist mit Hilfe der Welle 17 stufenlos zwischen der Stellung "offen" und der Stellung "geschlossen" einstellbar. Dazu ist beispielsweise ein, wie in Fig. 7 dargestelltes Kennfeld in einem Steuergerät hinterlegt, durch das die Stellung der Drallklappe 16 in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine steuerbar ist. In einem unteren Lastbereich A mit einem Kraftstoff-Luftverhältnis λ >> 1 ist zur Erzeugung einer Doppeldrallströmung die Drallklappe 16 vollständig geschlossen; maximaler Drall wird erzeugt. Von einem mittleren Lastbereich B mit einem Kraftstoff-Luftverhältnis λ > 1 zu einem oberen Lastbereich C mit einem Kraftstoff-Luftverhältnis λ = 1 wird die Drallklappe 16 kontinuierlich geöffnet, so dass im Lastbereich C die Drallklappe vollkommen geöffnet ist, da in diesem Betriebszustand (Homogenbetrieb) keine Drallerzeugung mehr erforderlich ist.

Claims

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, in dem mindestens ein Einlass- und ein Auslasskanal angeordnet sind, die zu einem an einen Zylinderraum angrenzenden Brennraum führen, wobei Ein- und Auslasskanal durch Ventilelemente überwacht sind, einen im Zylinderraum beweglich angeordneten Kolben, einem Einspritzventil, über das zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist, und eine in den Brennraum hineinragende Zündeinrichtung zur Entflammung des Brennstoff-Luftgemisches, sowie mit einer im Einlasskanal angeordneten Ladungsbewegungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsbewegungseinrichtung als verstellbares Klappenelement (16) ausgebildet ist, das bei geschlossener Stellung zwei Teilkanalquerschnitte (14a, 14b) des Einlasskanals (14) freilässt, über die Verbrennungsluft in den Brennraum (8) gelangt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (14) querovalförmig und das Klappenelement (16) rechteckförmig ausgebildet sind, so dass bei geschlossener Klappenstellung zwei kreisbogenförmige Teilkanalquerschnitte (14a, 14b) ausgebildet sind.

3. Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (14) zwei zum Brennraum (8) führende Zweigrohre (10, 11) aufweist, die jeweils durch einen Einlassventil (4) überwacht sind und dass das Klappenelement (16) stromaufwärts der beiden Zweigrohre (10, 11) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) auf seiner dem Brennraum (8) zugewandten Stirnseite eine Kolbenmulde (22) aufweist.