DE19635886A1 - Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes einer Brennkraftmaschine sowie BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes
in einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die
Erfindung betrifft weiter eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 3.
Zunehmend strenge Abgasvorschriften sowie die Notwendigkeit, den
Kraftstoffverbrauch zu senken, stellen hohe Anforderungen an die Steuerungs-
und Regeleinrichtungen für das Betriebsverhalten von bzw. die Beeinflussung
des Verbrennungsablaufes in Brennkraftmaschinen.
Ein gängiges Verfahren zum Verbessern des Betriebsverhaltens von bzw. des
Verbrennungsablaufes in Kolbenbrennkraftmaschinen im Teillastbereich
besteht darin, die Frischladung im Teillastbereich derart gerichtet einströmen
zu lassen, daß sich im Brennraum ein Drall (Wirbel um die Achse der
Kolbenbewegung) und/oder ein Tumble (Wirbel um eine auf der Richtung der
Kolbenbewegung senkrecht stehende Achse) bildet. Dies wird durch den
Einbau von Abschirmungen in den Einlaßkanal, durch Außerbetriebsetzen
eines Einlaßventils bei mehreren Einlaßventilen je Zylinder usw. erreicht. Mit
solchen Maßnahmen soll eine verstärkte Ladungsbewegung erzielt werden, die
die Gemischbildung verbessert und damit eine bessere Verbrennung
ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten von
Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere in deren Teillastbereich, weiter zu
verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß die während eines
Teils des Arbeitszyklus vorhandene Abgasrückströmung allein oder zusätzlich
zur Ausbildung einer gerichteten Strömung im Brennraum herangezogen wird,
was die thermodynamischen Brennbedingungen für die bei geöffnetem
Einlaßventil einströmenden Frischladung verbessert. Dabei kann die
Bewegungsenergie der Frischladung vergrößert werden, eine intensivere
Durchmischung der Frischladung mit Abgas erreicht werden, ein an der
Brennraumwand niedergeschlagener Kraftstoff-Film aufgelöst werden usw.
Vorteilhaft ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß
dem Anspruch 2, mit der ein wandnaher Abgasmantel geschaffen werden
kann, der die Verbrennung günstig beeinflußt.
Besonders vorteilhaft ist die Durchführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß dem Anspruch 3, da ein solcher Drall eine stabile wandnahe
makroskopische Wirbelströmung bildet, in deren Kernbereich Frischladung
konzentriert werden kann, wobei in diesem Kernbereich bei Otto-Motoren
normalerweise die Zündkerze angeordnet ist.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 wird erreicht, daß die Frischladung in
einen Abgasmantel "eingepackt" wird. Das geschieht dadurch, daß die an der
Brennraumwandung anliegende Abgasrückströmung eine Abgasschicht bildet,
die die einströmende bzw. verbrennende Frischladung von der
Brennraumwand trennt. Dadurch verbessern sich Abmagerungsfähigkeit und
die Restgasverträglichkeit, vermindern sich die Kohlenwasserstoffemissionen
und nehmen die Wandwärmeverluste bzw. die Kühlwärmeverluste ab, was zu
Verbrauchsvorteilen führt. Die wandnahe Abgasschicht kann zum Zeitpunkt der
Verbrennung der Frischladung oder kurz vorher bereits zur Ruhe gekommen
sein, d. h. die Bewegungsenergie des Wirbels kann aufgezehrt sein.
Der Anspruch 5 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer
Brennkraftmaschine zur Lösung der Erfindungsaufgabe. In dieser
Brennkraftmaschine läuft zwangsläufig das Verfahren gemäß dem
Hauptanspruch ab.
Die Ansprüche 6 und 7 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine drosselklappengesteuerte
Hubkolbenbrennkraftmaschine,
Fig. 2 Ventilerhebungskurven der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Zylinderkopf vom Kolben her und
Fig. 4 einen Detailquerschnitt durch den Zylinderkopf der Fig. 3, geschnitten in
der Ebene IV-IV.
Gemäß Fig. 1 weist eine Brennkraftmaschine einen oder mehrere in einem
Zylinder arbeitenden Kolben 2 auf, der einen in einem Zylinderkopf 4
ausgebildeten Brennraum 6 begrenzt, in den von oben mittig eine Zündkerze 8
einragt. Der Ladungswechsel wird über ein oder mehrere Einlaßventile 10 und
ein oder mehrere Auslaßventile 12 gesteuert, die dem Brennraum 6 zeitweilig
mit einem Ansaugsystem 14 bzw. Abgassystem 16 verbinden. Zur Steuerung
der Ventile 10 und 12 ist ein an sich bekannter, mit der nicht dargestellten
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zusammenwirkender Nockentrieb 18
vorgesehen.
Fig. 2 gibt auf der Abszisse die Winkelstellung der nicht dargestellten
Kurbelwelle und auf der Ordinate die zugehörigen Öffnungen des Auslaßventils
bzw. Einlaßventils an. Wie ersichtlich beginnt die Öffnung des Auslaßventils
bei etwa 130° Kurbelwinkel (AÖ), wobei das Auslaßventil im Bereich des
unteren Totpunktes (UT) der Kurbelwelle bereits verhältnismäßig weit geöffnet
ist und nach dem oberen Totpunkt (OT) der Kurbelwelle schließt (AS). Das
Einlaßventil öffnet vor dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle (EÖ) und schließt
nach dem unterem Totpunkt der Kurbelwelle (ES).
Wie ersichtlich, öffnet das Einlaßventil bereits während das Auslaßventil noch
offen ist. Im Bereich großer Unterdrucke im Ansaugsystem 14, wie sie erreicht
werden, wenn die Drosselklappe 20 (Fig. 1) weitgehend geschlossen ist, führt
diese Ventilüberschneidung dazu, daß sich der Unterdruck stromab der
Drosselklappe 20 im Ansaugsystem in den Brennraum hinein fortsetzt und dort
noch verstärkt, wenn der Kolben 2 den oberen Totpunkt überschritten hat,
wodurch eine Rückströmung von Abgas aus dem Abgassystem 16 längs des
noch teilweise geöffneten Auslaßventils 12 in den Brennraum 6 hinein erfolgt.
Diese Rückströmung wird gezielt ausgenutzt, indem der Auslaßventilsitz
beispielsweise wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ausgebildet ist.
In Fig. 3 ist ein Zylinderkopf mit zwei Einlaßventilen 10 und zwei
Auslaßventilen 12 je Zylinder in Unteransicht dargestellt. Fig. 4 zeigt einen
Schnitt in der Ebene IV-IV der Fig. 3 mit aufgerichtetem Auslaßventil 12, wobei
der Schnitt durch das Einlaßventil 10 der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellt ist.
Wie ersichtlich, ist der Zylinderkopf 4 um einen Teil des Umfangs des
Auslaßventilsitzes 22 mit einer den Sitz parallel zur Bewegungsrichtung des
Ventils in den Brennraum 6 hinein verlängernden Abschirmung 24 versehen,
die dem Durchströmquerschnitt zwischen dem Auslaßventil 12 und der
benachbarten Wandung des Zylinderkopfes 4 über einen Teil des Ventilhubs
verringert. Dabei ist die Abschirmung 24, wie aus Fig. 3 ersichtlich, über einen
Umfangsbereich des Auslaßventilsitzes jeweils derart ausgeführt, daß in einer
Umfangsrichtung des Brennraums um die Bewegungsrichtung des Kolbens
herum ein vergrößerter Durchströmquerschnitt zur Verfügung steht, so daß
sich bei einer Abgasrückströmung eine Einströmung im wesentlichen in
Richtung der in Fig. 3 eingezeichneten Pfeile ergibt. Die Abschirmung 24 kann
beispielsweise jeweils längs etwa 180° des Umfangs des Auslaßventilssitzes
verlaufen, wobei die Enden der Abschirmungen jeweils durch einen Radius des
Brennraums gegeben sind.
Mit der beschriebenen Anordnung wird erreicht, daß in Schwachlastbereich,
wenn die Drosselklappe 20 weitgehend geschlossen ist, die
Abgasrückströmung eine um den Brennraum 6 in dessen Umfangsrichtung mit
Achse der Kolbenbewegung verlaufende Drallströmung bildet, die die
einströmende Frischladung umgibt bzw. einbettet und sie auf den mittigen
Bereich des Brennraums 6 konzentriert, in dem die Zündkerze 8 angeordnet
ist. Damit wird eine erhebliche Verbesserung der Abmagerungsfähigkeit und
der Restgasfähigkeit erreicht. Die Brenngeschwindigkeit wird vergrößert. Die
HC-Emissionen und die Kühlwasserverluste sind verringert. Der Verbrauch der
Brennkraftmaschine ist bei gleichzeitiger Verbesserung des
Emissionsverhaltens vermindert.
Im Gegensatz zu der an sich bekannten Beeinflussung der Ladungsbewegung
über die Frischladungsströmung setzt die Abgasrückströmung nur im
Schwachlastbereich ein, so daß für den Vollastbereich keinerlei nachteilige
Wirkungen bestehen, wie bei der bekannten Beeinflussung der
Ladungsbewegung über die Frischladungseinströmung.
Es versteht sich, daß die Erfindung in vielfältiger Weise abwandelbar ist:
Beispielsweise muß der Unterdruck im Brennraum nicht über eine Drosselklappe erzeugt werden, sondern kann unmittelbar durch Beeinflussung der Öffnungsfunktionen des Einlaß- und/oder Auslaßventils erzeugt werden. Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, durch entsprechende Beeinflußbarkeit der Öffnungsfunktionen der Ventile das Auslaßventil gezielt länger offen zu halten als in Fig. 2 angegeben. Die Abschirmungen und/oder auf den Teller den Auslaßventils aufgebrachte Schirme können auch derart ausgebildet sein, daß im Brennraum eine Tumble-Strömung entsteht, wenn dies bei entsprechender Ventilkonfiguration, Lage der Zündkerze und Einspritzdüse vorteilhaft ist. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von Ottomotoren begrenzt, sondern kann auch bei Dieselmotoren eingesetzt werden. Bei Motoren mit mehreren Auslaßventilen je Zylinder kann es genügen, nur eines mit einer Abschirmung zu versehen. Bei Motoren mit mehreren Auslaßventilen je Zylinder, wobei die Auslaßventile bezogen auf eine durch ihre Achse und die Zylinderachse gehende Ebene unsymmetrisch ausgebildet sind, kann es zur Erzeugung einer gerichteten Abgasrückströmung in den Brennraum auch ausreichen, nur eines der Auslaßventile zu betätigen, da die Unsymmetrie dann zu einer Ausrichtung der Rückströmung führt.
Beispielsweise muß der Unterdruck im Brennraum nicht über eine Drosselklappe erzeugt werden, sondern kann unmittelbar durch Beeinflussung der Öffnungsfunktionen des Einlaß- und/oder Auslaßventils erzeugt werden. Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, durch entsprechende Beeinflußbarkeit der Öffnungsfunktionen der Ventile das Auslaßventil gezielt länger offen zu halten als in Fig. 2 angegeben. Die Abschirmungen und/oder auf den Teller den Auslaßventils aufgebrachte Schirme können auch derart ausgebildet sein, daß im Brennraum eine Tumble-Strömung entsteht, wenn dies bei entsprechender Ventilkonfiguration, Lage der Zündkerze und Einspritzdüse vorteilhaft ist. Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung von Ottomotoren begrenzt, sondern kann auch bei Dieselmotoren eingesetzt werden. Bei Motoren mit mehreren Auslaßventilen je Zylinder kann es genügen, nur eines mit einer Abschirmung zu versehen. Bei Motoren mit mehreren Auslaßventilen je Zylinder, wobei die Auslaßventile bezogen auf eine durch ihre Achse und die Zylinderachse gehende Ebene unsymmetrisch ausgebildet sind, kann es zur Erzeugung einer gerichteten Abgasrückströmung in den Brennraum auch ausreichen, nur eines der Auslaßventile zu betätigen, da die Unsymmetrie dann zu einer Ausrichtung der Rückströmung führt.
Claims (7)
1. Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes in einer
Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Kolben (2) arbeitet, der an
einen Brennraum (6) angrenzt,
einem Einlaßventil (10) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums mit einem Ansaugsystem (14) und
einem Auslaßventil (12) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums (6) mit einem Abgassystem (16),
dadurch gekennzeichnet, daß
das Auslaßventil (12) zumindest während eines Teils des Arbeitszyklus, während dessen der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Brennraums (6) kleiner ist als der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Abgassystems (16), teilweise geöffnet ist und
der durch die teilweise Öffnung des Auslaßventils längs dessen Sitz (22) gebildete Strömungskanal derart ausgebildet ist, daß die durch ihn hindurch erfolgende Abgasrückströmung gerichtet in den Brennraum einströmt.
einem Einlaßventil (10) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums mit einem Ansaugsystem (14) und
einem Auslaßventil (12) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums (6) mit einem Abgassystem (16),
dadurch gekennzeichnet, daß
das Auslaßventil (12) zumindest während eines Teils des Arbeitszyklus, während dessen der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Brennraums (6) kleiner ist als der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Abgassystems (16), teilweise geöffnet ist und
der durch die teilweise Öffnung des Auslaßventils längs dessen Sitz (22) gebildete Strömungskanal derart ausgebildet ist, daß die durch ihn hindurch erfolgende Abgasrückströmung gerichtet in den Brennraum einströmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückströmung im Brennraum eine
wandnahe, um eine Achse umlaufende Strömung bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abgasrückströmung im Brennraum (6) einen um die Zylinderachse herum
verlaufenden Drall bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Frischladung in den radial inneren Bereich der wirbelförmigen
Abgasrückströmung eingebracht wird und zum Zeitpunkt der Verbrennung von
der Brennraumwand durch eine Abgasschicht getrennt ist.
5. Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Kolben (2) arbeitet,
er an einen Brennraum (6) angrenzt,
einem Einlaßventil (10) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums mit einem Ansaugsystem (14) und
einem Auslaßventil (12) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums (6) mit einem Abgassystem (16),
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (18) zur Steuerung des Öffnens und des Schließens der Ventile derart ausgebildet ist, daß das Auslaßventil (12) zumindest während eines Teils des Arbeitszyklus, während dessen der Druck im an das Auslaßventil (12) angrenzenden Bereich des Brennraums (6) kleiner ist als der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Abgassystems (16), teilweise geöffnet ist und daß der durch die teilweise Öffnung des Auslaßventils längs dessen Sitz (22) gebildete Strömungskanal derart ausgebildet ist, daß die durch ihn hindurch erfolgende Abgasrückströmung gerichtet in den Brennraum einströmt.
einem Einlaßventil (10) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums mit einem Ansaugsystem (14) und
einem Auslaßventil (12) zur zeitweiligen Verbindung des Brennraums (6) mit einem Abgassystem (16),
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (18) zur Steuerung des Öffnens und des Schließens der Ventile derart ausgebildet ist, daß das Auslaßventil (12) zumindest während eines Teils des Arbeitszyklus, während dessen der Druck im an das Auslaßventil (12) angrenzenden Bereich des Brennraums (6) kleiner ist als der Druck im an das Auslaßventil angrenzenden Bereich des Abgassystems (16), teilweise geöffnet ist und daß der durch die teilweise Öffnung des Auslaßventils längs dessen Sitz (22) gebildete Strömungskanal derart ausgebildet ist, daß die durch ihn hindurch erfolgende Abgasrückströmung gerichtet in den Brennraum einströmt.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Auslaßventilsitz (22) über einen Teil seines Umfangs mit einer
Abschirmung (24) ausgebildet ist, die den Durchtrittsquerschnitt bei kleinem
Ventilhub verengt, wobei die Abschirmung insgesamt in eine um die Achse der
Kolbenbewegung gerichtete Umfangsrichtung des Brennraums (6) zeigt.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Auslaßventile (12) mit je einem Auslaßventilsitz (22) vorgesehen sind,
deren Abschirmungen (24) gleichsinnig in Umfangsrichtung zeigen.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19635886A DE19635886A1 (de) | 1996-09-04 | 1996-09-04 | Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine |
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JP9236636A JPH1089077A (ja) | 1996-09-04 | 1997-09-02 | 内燃機関における燃焼特性改善方法および内燃機関 |
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Applications Claiming Priority (1)
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DE19635886A DE19635886A1 (de) | 1996-09-04 | 1996-09-04 | Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine |
Publications (1)
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DE19635886A1 true DE19635886A1 (de) | 1998-03-05 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19635886A Withdrawn DE19635886A1 (de) | 1996-09-04 | 1996-09-04 | Verfahren zum Verbessern des Verbrennungsablaufes einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine |
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JP (1) | JPH1089077A (de) |
DE (1) | DE19635886A1 (de) |
GB (1) | GB2317644A (de) |
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