DE19705659A1

DE19705659A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19705659A1
Application number: DE19705659A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Slowik; Juergen Prof Dr Sc Te Kohlmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1998-08-20

Description

Stand der Technik

Die meisten heute ausgeführten Brennkammern von Brennkraftmaschinen haben eine rota tionssymmetrische Form. Sowohl Diesel- als auch Ottomotoren orientieren sich an diesem klassischem Vorbild. Die üblicherweise verwendeten Einlaß- und Auslaßöffnungen, die in 4-Takt-Motoren mit Ventilen verschlossen werden, weichen von dieser Rotationssymmetrie der Brennkammer ab. Da es sinnvoll für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und die Mini mierung der Schadstoffe der Verbrennung ist, den Füllvorgang, den Verbrennungsvorgang und den Spülvorgang der Form der Brennkammer optimal anzupassen, ist eine Annäherung an die Rotationssymmetrie bei diesen Prozessen wünschenswert.

Unter Verwendung herkömmlicher Ventile hat man die Zahl der Ein- und Auslaßöffnungen er höht (3- bzw. 4-Ventiltechnik). Die Verteilung der Gase im Brennraum und die Spülung kann damit verbessert werden und der Druckverlust auf dem Strömungsweg sinkt. Einspritz- bzw. Zündbaugruppen (Ottomotor) können dabei auf der Achse der Brennkammer angeordnet wer den. Dadurch kann auch der Verbrennungsvorgang auf der Achse beginnen. Stellt sich aber keine ideale rotationssymmetrische Verteilung der eintretenden Gase ein, so wäre eine weite re Erhöhung der Anzahl der Ein- und Auslaßöffnungen nötig, bei gleichzeitig geringeren Ab messungen. Ein erhöhter Fertigungsaufwand begrenzt diese Möglichkeit.

Mit der Gestaltung von gleichachsigen Ventilen, die auf der Achse der Brennkammer angeord net sind, wurde versucht, rotationssymmetrische Ein- und Auslaßöffnungen zu gestalten. Aus DE 40 41 724 ist eine Vorrichtung mit zwei ineinander angeordneten Ventile bekannt. Die gleichmäßige Verteilung der einströmenden Gase ist jedoch bei einer seitlichen Zuströmung zur Einlaßöffnung nicht erreichbar, da zu einer Gleichverteilung über die gesamte Einlaßfläche eine bestimmter Druckverlust nötig ist. Dies trifft auch für DE 40 30 698 zu, wo die Einlaßöff nung näher zur Achse angeordnet ist als die Auslaßöffnung.

Gemeinsam ist den Patentschriften DE 44 39 042, DE 41 14 721, DE 40 30 698, DE 40 41 724 und DE 40 02 442, die eine gleichachsige Anordnung von Ein- und Auslaßöffnungen aufweisen, da die Zündung (Ottomotor) bzw. die Einspritzung des Kraftstoffes nicht auf der Achse der Brenn kammer erfolgen kann (siehe Fig. 1 in DE 40 02 442). Eine gleichmäßige Verbrennung ist damit nicht erreichbar.

Die Erfindung stellt sich das Ziel, eine Rotationssymmetrie in der Brennkammer bezüglich Gasverteilung, Verbrennungsverlauf und Spülung beim 4-Takt-Verfahren zu erreichen.

Eine Unterscheidung bei den Verfahrensschritten ergibt sich bezüglich des Zündvorgangs bei Otto- und Dieselmotoren, da Ottomotoren eine Zündeinrichtung umfassen. Dieser Tatsache wird durch die getrennte Erläuterung der Verfahrensschritte für Otto- und Dieselmotoren Rechnung getragen. Anschließend wird eine Brennkraftmaschine für die Anwendung des Ver fahrens beschrieben.

Dieselmotor

Das Verfahren wird angewandt auf 4-Takt-Dieselmotoren, die eine Brennkammer, ein Einlaß- und ein Auslaßventil, wobei die Achsen des Ein- und Auslaßventils mit der Achse des Brenn raumes zusammenfallen, und eine Einspritzeinrichtung umfassen.

Das Ziel wird erfindungsgemäß erreicht, indem

- die Luft verdrallt und rotationssymmetrisch bezüglich der Achse der Brennkammer der Brennkammer durch eine ringförmige Öffnung zugeführt wird,
- der Brennstoff durch eine Einspritzvorrichtung auf der Achse der Brennkammer zugeführt wird.

Ottomotor

Das Verfahren wird angewandt auf 4-Takt-Ottomotoren, die eine Brennkammer, ein Einlaß- und ein Auslaßventil, wobei die Achsen des Ein- und Auslaßventils mit der Achse des Brenn raumes zusammenfallen, und eine Zündeinrichtung umfassen.

Das Ziel wird erfindungsgemäß erreicht, indem

- das Brennstoff-Luft-Gemisch verdrallt und rotationssymmetrisch bezüglich der Achse der Brennkammer der Brennkammer durch eine ringförmige Öffnung zugeführt wird,
- die Zündung mit Hilfe einer auf der Achse der Brennkammer angeordneten Zündeinrichtung vorgenommen wird.

Unter Drall ist dabei zu verstehen, daß das in die Brennkammer eintretende Gas eine Um fangskomponente der Geschwindigkeit bezüglich der Brennkammerachse aufweist (Zylinder koordinaten).

Erfindungsgemäß wird der Drall des in die Brennkammer zugeführten Gases durch tangentia les Einleiten des Gases in eine dem Einlaßventil vorgelagerte Drallkammer erzeugt, wobei das Gas in der Drallkammer zur Achse der Drallkammer hin beschleunigt wird. Es ist zweckmäßig, daß die Stärke des Dralls des eintretenden Gasstromes in Abhängigkeit vom Lastverhalten variiert wird. Auf diese Weise kann den drehzahlabhängigen Strömungsverhältnissen Rech nung getragen werden. Es ergibt sich ein zusätzlicher Parameter, mit dem die Strömungsver hältnisse auf einfache Weise beeinflußt werden können. Erfindungsgemäß wird die Stärke des Dralls des eintretenden Gasstromes variiert, indem bei der Drallerzeugung mehrere tangentia le Einlaßkanäle für die Drallkammer verwendet werden und die einzelnen tangentialen Ein laßkanäle mit einem unterschiedlichen Gasdurchsatz beaufschlagt werden. Dies kann bei spielsweise mit einer Drallkammer, die vier Einlaßkanäle besitzt, realisiert werden, indem der gesamte Luftstrom auf zwei Teilströme aufgeteilt wird und jeweils ein Teilstrom auf zwei ge genüberliegende tangentiale Einlaßkanäle aufgegeben wird. Sperrt man einen Teilstrom ab, so gelangt der Gasstrom beim Ansaugen nicht mehr durch 4 Einlaßkanäle in die Drallkammer, sondern nur noch durch 2 Einlaßkanäle. Damit ergibt sich ein höherer Drall. Die Einstellung von Werten zwischen den beiden Extremwerten ist möglich.

Dieselmotor

Das Verfahren wird mit einer Brennkraftmaschine realisiert, die eine Brennkammer, eine Ein laßöffnung und ein Einlaßventil, eine Auslaßöffnung und ein Auslaßventil, wobei Ein- und Auslaßöffnungen und die dazugehörigen Ventile gleichachsig angeordnet sind, sowie eine Einspritzeinrichtung umfaßt. Erfindungsgemäß ist vor der Einlaßöffnung eine rotationssymme trische Drallkammer, die mit einem ringförmigen Ventil zum Brennraum abgedichtet wird und die Einspritzeinrichtung auf der Achse der Brennkammer angeordnet. Die Drallkammer weist tangentiale Einlaßkanäle auf.

Ottomotor

Das Verfahren wird mit einer Brennkraftmaschine realisiert, die eine Brennkammer, eine Ein laßöffnung und ein Einlaßventil, eine Auslaßöffnung und ein Auslaßventil, wobei Ein- und Auslaßöffnungen und die dazugehörigen Ventile gleichachsig angeordnet sind, sowie eine Zündeinrichtung umfaßt. Erfindungsgemäß ist vor der Einlaßöffnung eine rotationssymmetri sche Drallkammer, die mit einem ringförmigen Ventil zum Brennraum abgedichtet wird, und die Zündeinrichtung auf der Achse der Brennkammer angeordnet. Die Drallkammer weist tangen tiale Einlaßkanäle auf.

Bei beiden Varianten weisen erfindungsgemäß die Auslaßöffnungen und das Auslaßventil die gleichen Achsen wie die Brennkammer auf. Durch die damit erfolgende rotationssymmetrische Entleerung der Brennkammer werden günstige Bedingungen für den Ansaugtakt geschaffen. Die Einlaßöffnung ist vorzugsweise weiter von der Achse der Brennkammer entfernt als die Auslaßöffnung. Die Drallkammer ist als rotationssymmetrische Kammer ausgebildet und weist einen größeren Außendurchmesser als die Einlaßöffnung aus. Die tangentialen Einlaßkanäle sind an der Peripherie der Drallkammer angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn die Drallkammer eine konstante Höhe aufweist, oder zur Achse hin in ihrer Höhe abnimmt. Damit kann ein ho her Vergleichmäßigungseffekt der Beschleunigungsströmung bezüglich der Verteilung über den Umfang erreicht werden.

Im Betriebsfall öffnet sich das Einlaßventil im Ansaugtakt und das Gas tritt infolge des Unter drucks in der Brennkammer in die Drallkammer ein. Es bewegt sich zunächst durch die Ein laßkanäle tangential zur Drallkammer und wird dann zur Achse hin beschleunigt. Dabei bildet sich eine über den Umfang gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Strömung aus. Beim Passieren der Einlaßöffnung ist die gewünschte Rotationssymmetrie erreicht. Die Gase treffen gleichmäßig auf die Zylinderwand und werden dabei erwärmt. Durch die Drallkomponente der Geschwindigkeit ergeben sich gute Wärmeübertragungsbedingungen. Das Einlaßventil schließt und anschließend erfolgt beim Ottomotor die Zündung durch die auf der Achse ange ordnete Zündeinrichtung bzw. beim Dieselmotor die Einspritzung durch die auf der Achse an geordnete Einspritzeinrichtung. Nach dem Arbeitstakt erfolgt das Ausstoßen der verbrannten Gase über die ringförmige Auslaßöffnung.

Beispiel

Die Erfindung wird mit drei Beispielen erläutert.

1. Beispiel

In Fig. 1 ist das Verfahren für einen Dieselmotor dargestellt. Der Motor ist dabei im Schnitt dargestellt.

Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Verfahren und umfaßt eine Brennkammer (1), ein Einlaßventil (2) und ein Auslaßventil (3), wobei die Achsen des Einlaßventils (2) und des Auslaßventils (3) mit der Achse der Brennkammer (1) zusammenfallen, sowie eine Ein spritzeinrichtung (4). Im Ansaugtakt wird durch den Unterdruck in der Brennkammer die Luft durch die tangentialen Einlaßkanäle (9) in die Drallkammer (5) gesaugt und zur Achse der Drallkammer (5) hin beschleunigt. Damit wird ein über den Umfang gleichmäßig verteiltes Ge schwindigkeitsprofil erzeugt. Die Verbrennungsluft wird durch eine ringförmige Einlaßöffnung (6) der Brennkammer (1) zugeführt. Dabei bewegt sich die Luft durch den Drall zur Zylinder wand. Der Brennstoff wird durch eine Einspritzvorrichtung (4), die auf der Achse der Brenn kammer (1) angeordnet ist, zugeführt. Die Gase verlassen nach dem Arbeitstakt die Brenn kammer (1) durch die Auslaßöffnung (7). Diese Auslaßöffnung (7) ist wie die Einlaßöffnung (6) als Ringspalt gestaltet.

2. Beispiel

In Fig. 2 ist das Verfahren für einen Ottomotor dargestellt. Der Motor ist dabei im Schnitt dar gestellt.

Die Brennkraftmaschine arbeitet nach dem 4-Takt-Verfahren und umfaßt eine Brennkammer (1), ein Einlaßventil (2) und ein Auslaßventil (3), wobei die Achsen des Einlaßventils (2) und des Auslaßventils (3) mit der Achse der Brennkammer (1) zusammenfallen, sowie eine Zündeinrichtung (8). Das Gasgemisch wird im Ansaugtakt verdrallt durch die Drallkammer (5) angesaugt und durch eine ringförmige Einlaßöffnung (6) der Brennkammer (1) zugeführt. Da bei bewegt sich das Gasgemisch durch den Drall zur Zylinderwand. Die Zündung des Gemi sches erfolgt durch eine Zündeinrichtung (8), die auf der Achse der Brennkammer (1) ange ordnet ist. Das Gas verläßt nach dem Arbeitstakt die Brennkammer (1) durch die Auslaßöff nung (7). Diese Auslaßöffnung (7) ist wie die Einlaßöffnung (6) als Ringspalt gestaltet.

3. Beispiel

In den Fig. 3 bis 6 ist die Gestaltung der Brennkraftmaschine für die Variante Dieselmotor dargestellt. Dabei zeigt die Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine und die Fig. 4 bis 6 die in Fig. 3 gekennzeichneten Querschnitte durch die Brennkraftmaschine, wobei nur der Hauptkörper in den Fig. 4 bis 6 dargestellt ist (ohne Ventile und Einspritz einrichtung). Vom Hauptkörper sind nur die für die Erklärung der Erfindung wesentlichen Teile dargestellt. Die Ventile sind im geschlossenen Zustand gezeichnet.

Der Dieselmotor umfaßt die Brennkammer (1), ein Einlaßventil (2), ein Auslaßventil (3) sowie eine Einspritzeinrichtung (4). Das Einlaßventil (2) ist ringförmig ausgebildet und verschließt die Einlaßöffnung (6) der Brennkammer (1). Das Auslaßventil (3) ist ebenfalls ringförmig ausgebil det und verschließt die Auslaßöffnung (7). Beide Ventile haben in Richtung Federn stabförmi ge Verbindungen durch den Hauptkörper. Das Einlaßventil (2) weist einen größeren Durch messer als das Auslaßventil (3) auf. Die Achse des Einlaßventils (2) und des Auslaßventils (3) fallen mit der Achse der Brennkammer (1) zusammen. Auf der Achse der Brennkammer (1) ist die Einspritzeinrichtung (4) angeordnet. Vor der Einlaßöffnung (6) ist eine Drallkammer (5) angeordnet. Die Drallkammer (5) besitzt vier tangentiale Einlaßkanäle (9). Die Höhe der Drall kammer (5) ist konstant. Der Außendurchmesser der Drallkammer (5) ist größer als der Durchmesser der Brennkammer (1). Die Auslaßöffnung (7) ist mit einem Kanal zur Abführung der verbrannten Gase ausgestattet.

Der Dieselmotor wird nach dem 4-Takt-Verfahren gemäß der Verfahrensbeschreibung aus Beispiel 1 betrieben.

Erfindungsgemäß kann der Drall der Verbrennungsluft den Lastfällen angepaßt werden. Dazu wird durch dem Fachmann geläufige Mittel eine Aufteilung des Luftstromes vorgenommen, der der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Beide Luftströme werden erneut in zwei Teilströme aufgeteilt und beide Teilströme auf je zwei Einlaßkanäle (9) in die Drallkammer (5) geleitet. Ist ein hoher Drall gewünscht, so werden im Ansaugtakt nur die Leitungen freigegeben, die zwei gegenüberliegende Einlaßkanäle (9) der Drallkammer (5) speisen. Soll der Drall geringer sein, so kann die Luft durch alle vier Einlaßkanäle (9) der Drallkammer (5) zugeführt werden.

Für die Variante Ottomotor wird auf ein separates Beispiel verzichtet, da in diesem Fall ledig lich die Einspritzeinrichtung durch eine Zündeinrichtung ersetzt ist.

Bezugszeichenliste

1

Brennkammer

2

Einlaßventil

3

Auslaßventil

4

Einspritzeinrichtung

5

Drallkammer

6

Einlaßöffnung

7

Auslaßöffnung

8

Zündeinrichtung

9

tangentialer Einlaßkanal

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem 4-Takt-Verfahren, umfassend eine Brennkammer, ein Einlaß- und ein Auslaßventil, wobei die Achsen des Ein- und Auslaß ventils mit der Achse der Brennkammer zusammenfallen, sowie eine Einspritzeinrichtung, da durch gekennzeichnet, daß

2. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem 4-Takt-Verfahren, umfassend eine Brennkammer, ein Einlaß- und ein Auslaßventil, wobei die Achsen des Ein- und Auslaß ventils mit der Achse der Brennkammer zusammenfallen, sowie eine Zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall des in die Brennkammer zugeführten Gases durch tangentiales Einleiten des Gases in eine dem Einlaß ventil vorgelagerte Drallkammer erzeugt und das Gas in der Drallkammer zur Achse der Drall kammer hin beschleunigt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Dralls des eintretenden Gasstromes in Abhängigkeit vom Lastverhalten variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Dralls des eintre tenden Gasstromes variiert wird, indem bei der Drallerzeugung mehrere tangentiale Einlaßka näle für die Drallkammer verwendet werden und die einzelnen tangentialen Einlaßkanäle mit einem unterschiedlichen Gasdurchsatz beaufschlagt werden.

6. Brennkraftmaschine, umfassend eine Brennkammer, eine Einlaßöffnung und ein Einlaß ventil, eine Auslaßöffnung und ein Auslaßventil, wobei Ein- und Auslaßöffnungen und die da zugehörigen Ventile gleichachsig angeordnet sind, sowie eine Einspritzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

- vor der Einlaßöffnung eine rotationssymmetrische Drallkammer mit tangentialen Einlaßkanä len angeordnet ist, die mit einem ringförmigen Ventil zum Brennraum abgedichtet wird und
- die Einspritzeinrichtung auf der Achse der Brennkammer angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine, umfassend eine Brennkammer, eine Einlaßöffnung und ein Einlaß ventil, eine Auslaßöffnung und ein Auslaßventil, wobei Ein- und Auslaßöffnungen und die da zugehörigen Ventile gleichachsig angeordnet sind, sowie eine Zündeinrichtung, dadurch ge kennzeichnet, daß

- vor der Einlaßöffnung eine rotationssymmetrische Drallkammer mit tangentialen Einlaßkanä len angeordnet ist, die mit einem ringförmigen Ventil zum Brennraum abgedichtet wird und
- eine Zündeinrichtung auf der Achse der Brennkammer angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöff nung und das Auslaßventil die gleiche Achse wie die Brennkammer aufweisen.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein laßöffnung weiter von der Achse der Brennkammer entfernt ist als die Auslaßöffnung.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkammer als rotationssymmetrische Kammer mit einen Außendurchmesser, der minde stens 30% größer als der Außendurchmesser der Einlaßöffnung der Brennkammer ist, aus gebildet ist und die tangentialen Einlaßkanäle für die Zuführung des Gases in die Drallkammer an der Peripherie der Drallkammer gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurch messer der Drallkammer größer als der Durchmesser der Brennkammer ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drall kammer entweder eine kostante Höhe aufweist oder die Höhe zur Achse hin abnimmt.