DE10243659A1

DE10243659A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE10243659A1
Application number: DE10243659A
Authority: DE
Inventors: Robert Wirtz
Original assignee: Bastra Dipl Ing Otten & C GmbH; Bastra Dipl-Ing Otten & Co GmbH
Current assignee: Bastra Dipl Ing Otten & C GmbH; Bastra Dipl-Ing Otten & Co GmbH
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (1), welcher zumindest eine Einlassöffnung (3) aufweist, welche zumindest ein Ansaugkanal (4) anschließt, wobei zur Unterteilung in Teilansaugpfade (8.1, 8.2) im Ansaugkanal (4) zumindest ein Leitelement (7) vorgesehen ist, soll das Leitelement (7) zur radialen Umlenkung des Gasstromes radial in Axialrichtung im Ansaugkanal (4) spiralartig verdreht eingesetzt sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, welcher zumindest eine Einlassöffnung aufweist, an welche zumindest ein Ansaugkanal anschliesst, wobei zur Unterteilung in Teilansaugpfade im Ansaugkanal zumindest ein Leitelement vorgesehen ist.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind in vielfältigster Form und Ausführung auf dem Markt bekannt und gebräuchlich. Die DE 199 60 626 beschreibt eine Kolbenbrennkraftmaschine mit unterteiltem Gaseinlasskanal, bei welcher je Zylinder wenigstens einen in wenigstens eine Durchtrittsöffnung ausmündenden Gaseinlasskanal vorgesehen ist, welcher über zumindest eine Teillänge durch wenigstens eine Trennwand in zwei Teilkanäle unterteilt ist. Dabei weist die Trennwand eine in Strömungsrichtung verlaufende rinnenförmige Profilierung auf. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass im Teillastbetrieb eine in einen Einlasskanal eingesetzte zusätzliche Riegelvorrichtung vorgesehen sein muss, um bei Teillast den Teilkanal zu verschliessen. Nachteilig hieran ist ferner, dass insbesondere im Teillastbereich zur Erzeugung von starken Swirl- und/oder Tumble-Strömungen im Zylinder der Gasstrom nicht optimal das Einlassventil umströmt. Zudem lässt sich bei einer derartigen Lösung der Kraftstoffverbrauch, insbesondere bei Teillast nicht genügend reduzieren.
Die DE 101 10 986 A1 offenbart eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen. Eine derartige Viertakt-Brennkraftmaschine ist lediglich für zwei Einlassventile geeignet und auf eine derartige Lösung beschränkt. Zudem ist die vorgenannte Viertakt-Brennkraftmaschine lediglich auf die Anwendung von Schiebervergasem beschränkt, wobei nicht universell sämtliche herkömmlichen Gasaufbereitungseinrichtungen verwendet werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile beseitigt und mit welcher auf einfach und kostengünstige Weise unabhängig von verschiedenen Gemischaufbereitungseinrichtungen ein Einströmen und Umströmen des Einlassventiles auch im Teillastbereich optimiert ist. Ferner soll eine Kraftstoffreduktion bei verbesserten Einströmverhältnissen durch Walzenwirbel (Tumble) und/oder auch Swirl möglich sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass das Leitelement zur radialen Umlenkung des Gasstromes radial in Axialrichtung im Ansaugkanal spiralartig verdreht eingesetzt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein Leitelement in einen Einlasskanal einzusetzen, welches in Axialrichtung radial verdreht eingesetzt ist. Bevorzugt findet eine Verdrehung des Leitelementes von 70° der 90° statt. Die Verdrehung kann jedoch auch in Winkelbereichen zwischen 45° und 135° liegen. Hierdurch wird radial der in die Teilansaugpfade eintretende Gasstrom umgelenkt und umströmt das Einlassventil optimiert.
Zusätzlich hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass insbesondere zur Optimierung von Tumble- oder Swirl-Strömungen der Ansaugkanal leicht gegenüber einer Ventilebene abgewinkelt ausgebildet ist. Hierdurch löst sich insbesondere im abgewinkelten Bereich die Strömung ab und unterstützt eine Tumble- und/oder Swirl-Strömung im Zylinder. Hierdurch werden die Verbrennungsprozesse optimiert, so dass sich hierdurch ein Kraftstoffverbrauch reduzieren lässt.
Ferner ist von Vorteil bei der vorliegenden Erfindung, dass sich insbesondere im Teillastbereich entweder durch eine als Schieber ausgebildete Gemischaufbereitungseinrichtung lediglich ein Teilansaugpfad mit einem Gasstrom versorgen lässt, der über ein entsprechendes radiales Verdrehen optimiert dem Einlassventil, insbesondere der Einlassöffnung zugeführt wird. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Ist bei der vorliegenden Erfindung die Gasaufbereitungseinrichtung als Drosselklappe ausgebildet, so hat sich als vorteilhaft erwiesen, zwischen dem Leitelement und der Gasaufbereitungseinrichtung ein Rohrelement einzusetzen, welches vorzugsweise koaxial in den Ansaugkanal eingesetzt ist. Dieses mündet jedoch querschnittlich halbkreisartig in einen der beiden Teilansaugpfade ein, so dass je nach Stellung der Drosselklappe entweder nur ein zwischen Rohrelement und Ansaugkanal entstehender Ringspalt mit dem Gasstrom versorgt wird oder im Volllastbereich, bei vollständig geöffneter Drosselklappe beide Teilansaugpfade bzw. Ringspalt und Einströmöftnung des Rohrelementes mit dem Gasstrom versorgt werden. Über das anschliessende Leitelement lässt sich in oben beschriebener Weise der Gasstrom wirkungsoptimiert der Einlassöffnung bzw. dem Zylinder zuführen.
Insbesondere durch die radiale Umlenkung durch das Leitelement wird der Gasstrom im Kanal radial verdreht, was eine Optimierung des Verbrennungsprozesses bei Reduktion des Kraftstoffverbrauches zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung findet beispielsweise Anwendung für alle Kolbenmotoren auch mit mehreren Zylindern und auch mit mehreren Einlassventilen, die in oben beschriebener Weise mit einem Gasstrom versorgt werden. Im Falle, dass mehrzylindrige Motoren mit lediglich einer Drosselklappe versehen sind, kann ein Ansaugsammler verwendet werden, der beispielsweise zweigeteilt ausgeführt ist, in dem der Gasstrom geteilt in die jeweiligen Ansaugkanäle gelangt. Hierdurch wird insbesondere der Kraftstoffverbrauch erheblich reduziert und auch Abgasemissionsverhalten auch in Teillastbereichen von Otto-Motoren optimiert.
Dabei soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, dass das Leitelement aus dem Ansaugkanal selbst gebildet ist oder in diesen nachträglich einsetzbar ist. Dies kann auch aus unterschiedlichsten Materialien, Metall, Kunststoff oder aus dem Material des Ansaugkanales selbst gebildete sein. Es soll auch daran gedacht sein, dass eine Aufteilung, insbesondere eine querschnittliche Aufteilung des Ansaugkanales in Teilansaugpfade querschnittlich unterschiedlich erfolgt. Das Leitelement muss nicht zwingend im Bereich einer neutralen Faser oder im Bereich einer Mitte des Ansaugkanales angeordnet sein. Dieses kann auch aussermittig angeordnet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in den
1a und 1b schematisch dargestellte, perspektivische Ansichten auf einen Teil einer Verbrennungskraftmaschine im Bereich des Ansaugkanales;
2a und 2b schematisch dargestellte Seitenansichten auf den Teilbereich der Verbrennungskraftmaschine mit nahezu geschlossenem Drosselschieber und vollständig geöffnetem Drosselschieber;
3a eine schematisch dargestellte Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss den 1a bis 2b;
3b und 3c schematisch dargestellte Seitenansichten auf das Ausführungsbeispiel gemäss 3a im Teillast- und Volllastbetrieb.
Gemäss 1a weist ein Teil einer Verbrennungsmaschine R, einen hier nur schematisch angedeuteten Zylinder 1 auf, in welchem zumindest ein Einlassventil 2 eine Einlassöffnung 3 aufweist, an welche ein Ansaugkanal 4 anschliesst. Vorzugsweise schliesst der Ansaugkanal 4, wie es deutlich in dem Ausführungsbeispiel gemäss den 2a und 3b aufgezeigt ist, in einem Winkel ß von etwa 60° bis 80° zu einer Ventilebene 5 abgewinkelt an. Der Ansaugkanal 4 mündet in zumindest eine Mischaufbereitungseinrichtung 6. Dieser kann als Drosselschiebervergaser, wie es in den 1a bis 2b oder als einfache Drosselklappe, wie es in den 3a bis 3b dargestellt ist, ausgebildet sein. Als Gemischaufbereitungseinrichtungen 6 können beliebige Vergaser- oder Einspritzeinrichtungen, Drosselklappen etc. eingesetzt sein. Hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt.
Wesentlich ist bei der vorliegenden Erfindung, dass zwischen Gemischaufbereitungseinrichtung 6 und Einlassöffnung 3 in den Ansaugkanal 4 ein Leitelement 7 in den Ansaugkanal 4 eingesetzt ist. Die Besonderheit des Leitelementes 7 steht darin, dass dieses in Axialrichtung spiralartig bzw. spiralförmig verdreht eingesetzt ist. Das Leitelement 7 unterteilt den Ansaugkanal 4 in Teilansaugpfade 8.1 und 8.2. Die Besonderheit bei der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Leitelement 7, ausgehend von einer der Gemischaufbereitungseinrichtung 6 zugeordneten Stirnseite 9, welche bevorzugt waagrecht im Ansaugkanal 4 eingesetzt ist, spiralartig sich in Längsrichtung verdreht, so dass eine zweite, der Einlassöffnung 3 zugeordnete Stirnseite 10 des Leitelementes 7 verdreht ist und hierdurch ein Gasstrom im Ansaugkanal 4 radial umgelenkt wird. Zwischen Stirnseite 9 und Stirnseite 10 findet eine Verdrehung im Leitelement 7 um einen nur angedeuteten Winkel a in Axialrichtung von vorzugsweise 70° oder 90° statt. Das spiralartige Verdrehen des Leitelementes 7 kann in Winkelbereichen α zwischen Stirnseite 9 und Stirnseite 10 des Leitelementes 7 zwischen α = 45° bis 135° erfolgen. Hierdurch lässt sich der Gasstrom, der den Ansaugkanal 4, insbesondere die Teilansaugpfade 8.1, 8.2 durchströmt, zur optimierten Zuführung der Einlassöffnung 3 bzw. Umströmung des Einlassventiles 2 radial umlenken.
Es hat sich ferner als vorteilhaft ennriesen, eine Länge L des Leitelementes 7 zu wählen, welches zumindest einem Durchmesser D des Ansaugkanales 4 entspricht. Bevorzugt entspricht die Länge L in etwa 2/3 einer Gesamtlänge G des Ansaugkanales 4.
Der Strömungsverlauf des Gasstromes ist in 1 b angedeutet, wobei im Ansaugkanal 4 bei vollständig geöffneter Gemischaufbereitungseinrichtung 6 bzw. bei vollständig geöffnetem Drosselschieber der Gasstrom in die beiden Teilansaugpfade 6.1, 6.2 gelangt und radial im Ansaugkanal 4 verdreht wird, um das Einlassventil 2 optimal zu umströmen.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss 2a ist die Strömungsführung im Ansaugkanal 4 unter Teillast aufgezeigt, d.h., der Drosselschieber ist nahezu geschlossen. Damit wird lediglich im Teilansaugpfad 8.1 der Gasstrom aufgenommen und über das spiralartig radial verdrehte Leitelement 7 optimiert dem Einlassventil 2 zugeführt.
Ist, wie insbesondere in 2b dargestellt, der Drosselschieber vollständig geöffnet, so wird der Gasstrom aufgeteilt in die Teilansaugpfade 8.1, 8.2 und durchströmt beide Teilansaugpfade 8.1, 8.2. Dabei soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, dass die Teilansaugpfade 8.1, 8.2 nicht unbedingt querschnittlich hälftig den Ansaugkanal 4 unterteilen. Dies kann je nach Gemischaufbereitungseinrichtung 6 auch unterschiedlich sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss den 3a bis 3c ist zusätzlich bei einer Verbrennungskraftmaschine R₂ in den Ansaugkanal 4, sollte die Gemischaufbereitungseinrichtung 6 lediglich als Drosselklappe 15 ausgebildet sein, ein Rohrelement 11 dem Leitelement 7 vorgeschaltet. Das Rohrelement 11 ist vorzugsweise koaxial in den Ansaugkanal 4 eingesetzt und weist eine der Gemischaufbereitungseinrichtung 6 zugeordnete vorzugsweise kreisartige Einströmöffnung 12 auf. Ausserhalb der Einströmöffnung 12 des Rohrelementes 11 ist ein Ringspalt 13 zwischen Rohrelement 11 und Ansaugkanal 4 gebildet.
Das Rohrelement 12 erstreckt sich gegen die Stirnseite 9 des Leitelementes 7 und verändert seinen Durchmesser derart, dass dieses im Bereich der Stirnseite 9 des Leitelementes 7 eine halbkreisartige Ausströmöffnung 14 aufweist. Der durch die Einströmöffnung 12 geführte Gasstrom gelangt somit lediglich in den Teilansaugpfad 8.1. Ist eine Drosselklappe 15 der Gemischaufbereitungseinrichtung 6, wie es in den 3a und 3b dargestellt ist, nur teilweise geöffnet, durch Verschwenken der Drosselklappe 15 um die Mittelachse M, so strömt der Gasstrom oberhalb und unterhalb der Drosselklappe 7 lediglich in den Ringspalt 13 ein und wird über den Teilansaugpfad 8.2 dem Einlassventil 2 strömungsoptimiert zugeleitet.
In 3b ist eine Verbrennungskraftmaschine R₂ aufgezeigt, bei welcher die Drosselklappe 15 vollständig in waagrechter Stellung geöffnet ist und hierdurch ein Volllastbetrieb eingestellt ist. Der Gasstrom durchströmt das Rohrelement 11 sowie auch den Ringspalt 13 vollständig, so dass beide Teilansaugpfade 8.1, 8.2 umströmt werden und in oben beschriebener Weise mittels des Leitelementes 7 der Gasstrom umgelenkt wird.
Dabei schliesst, wie es insbesondere in 3a ersichtlich ist, eine untere Ebene 16 des Rohrelementes 11 bündig mit der Stirnseite 9 an das Leitelement 11 an, so dass hierdurch gewährleistet wird, dass lediglich der durch die Einströmöffnung 12 eintretende Gasstrom in den Teilansaugpfad 8.1 gelangt.
Auf diese Weise lässt sich auch eine als Drosselklappe 15 ausgebildete Gemischaufbereitungseinrichtung 6 verwenden, um im Teillastbereich mit Hilfe des Leitelementes 7 einem Gasstrom dem Einlassventil 2 optimiert zuzuführen.
Positionszahlenliste

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (1 ), welcher zumindest eine Einlassöffnung (3) aufweist, an welche zumindest ein Ansaugkanal (4) anschliesst, wobei zur Unterteilung in Teilansaugpfade (8.1, 8.2) im Ansaugkanal (4) zumindest ein Leitelement (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (7) zur radialen Umlenkung des Gasstromes radial in Axialrichtung im Ansaugkanal (4) spiralartig verdreht eingesetzt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leitelement (7) zwischen einer Gemischaufbereitungseinrichtung (6) und einer Einlassöffnung (3) in axialer Richtung radial spiralartig verdreht eingesetzt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (7) den Ansaugkanal (4) in querschnittlich gleiche oder querschnittlich unterschiedliche Ansaugpfade (8.1, 8.2) unterteilt.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (7) spirartig in Axialrichtung in einem Winkel (α) von 45° bis 135° zwischen dessen stirnseiten (9, 10), vorzugsweise 70° oder 90° in den Ansaugkanal (4) eingesetzt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L) des Leitelementes (7) zumindest einen Durchmesser (D) des Ansaugkanales (4) bis etwa 2/3 der Gesamtlänge (G) des Ansaugkanales (4) entspricht.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (4) in einem Winkel von (β = 60° bis 80°) zu einer Ventilebene (5) abgewinkelt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischaufbereitungseinrichtung (6) als Drosselklappe, Vergaser oder Einspritzeinrichtung ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (9) des Leitelementes (7) im Bereich der Gemischaufbereitungseinrichtung (6) im Ansaugkanal (4) in etwa parallel zu einer Mittelachse (M) einer Drosselklappe oder in etwa lotrecht zu einem Drosselschieber angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegenüberliegende Stirnseite (10) des Leitelementes (7) nahe dem Bereich der Einlassöffnung (3) endet und gegenüber der Stirnseite (9) spiralartig um den Winkel (a) zur radialen Umlenkung des Gasstromes verdreht ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unter Volllast bei vollständig geöffneter Drosselklappe (15) oder bei vollständig geöffnetem Drosselschieber beide Teilansaugpfade (8.1, 8.2) mit dem Gasstrom anströmbar sind.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Anspüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teillast des Drosselschiebers oder der Drosselklappe (15) im wesentlichen nur einer der beiden Teilansaugpfade (8.1, 8.2) mit dem Gasstrom anströmbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitelement (7) und der Gemischaufbreitungseinrichtung (6), insbesondere einer Drosselklappe (15) ein Rohrelement (11) koaxial in den Ansaugkanal (4) eingesetzt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einströmöffnung (12) des Rohrelementes (11) der Gemischaufbereitungseinrichtung (6) zugeordnet und querschnittlich rund bis oval ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausströmöffnung (14) des Rohrelementes (11) halbkreisartig ausgebildet ist, wobei an dessen unteren Ebene (16) die Stirnseite (9) des Leitelementes (7) anschliesst.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter Teillast bei teilweise geöffneter Drosselklappe (15) ein äusserer Ringspalt (13) zwischen Rohrelement (11) und Ansaugkanal (4) mit dem Gasstrom anströmbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass unter Volllast bei vollständige geöffneter Drosselklappe Rohrelement (11) und Ringspalt (13) mit dem Gasstrom ausströmbar sind.