DE19808574A1

DE19808574A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit interner Abgasrückführung

Info

Publication number: DE19808574A1
Application number: DE19808574A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Teichmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1998-02-28
Publication date: 1999-09-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest ei nem Einlaßventil und einem Auslaßventil je Zylinder, wobei über letzteres zumindest in einigen Brennkraftmaschinen-Betriebspunkten durch geeignete Ventil-Steuerzeiten eine interne Abgasrückführung in den Zylinder- Brennraum erfolgt. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 34 01 362 C2 noch auf die folgenden Schriften verwiesen:
DE 195 35 147 A1, DE 43 10 839 A1 sowie DE 37 37 766 A1.

Neben der sog. externen Abgasrückführung, bei welcher ein Teil des von den Brennkraftmaschinen-Zylindern ausgestoßenen Abgases über die Brennraum-Einlaßventile neuerlich in die Zylinder-Brennräume eingeführt wird, und wofür die beiden oben letztgenannten Schriften Beispiele zeigen, ist auch die sog. interne Abgasrückführung bekannt, bei welcher aufgrund geeigneter Ventil-Steuerzeiten ein Teil des in die Zylinder-Auslaßkanäle ausgestoßenen Abgases über das im Saughub des Zylinder-Kolbens noch zumindest geringfügig geöffnete Auslaßventil wieder in den Zylinder einge saugt wird. Diese interne Abgasrückführung (AGR) ist u. a. in der oben erst genannten Schrift beschrieben.

Was die Strömungsverhältnisse betrifft, unter denen das über das Zylinder-Ein laßventil eingebrachte sog. Frischgas (welchem bei externer AGR auch Abgas beigemengt sein kann) in den Zylinder einströmt bzw. einströmen kann, so sind hierfür verschiedene Maßnahmen bekannt, die aufgrund einer gezielten Bewegung der in den Zylinder eingebrachten sog. Ladung zu einer verbesserten Verbrennung führen bzw. führen können. Hierzu wird bei spielshalber auf die oben zweitgenannte DE 195 35 147 A1 verwiesen. In dieser Schrift beschrieben ist sowohl eine Drall-Strömung als auch eine Tumble-Strömung der über das Einlaßventil eingebrachten Ladung. Bei er sterer strömt wie bekannt die Ladung kreisförmig um die Zylinder-Längs achse, d. h. tangential zur Zylinderwand, während bei letzterer die über das oder die mehreren Einlaßventile eingebrachte Ladung quasi walzenför mig auf die Zylinder-Querschnittsfläche auftrifft.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik hat sich die vorliegen de Erfindung die Aufgabe gestellt, weitere Verbesserungsmöglichkeiten in Verbindung mit einer internen AGR aufzuzeigen, wobei diese Verbesse rungsmöglichkeiten auf eine noch weiter optimierte Verbrennung abzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch Maßnahmen zur Er zeugung eines im wesentlichen um die Zylinder-Längsachse orientierten Dralles des rückgeführten Abgasstromes. Vorteilhafte Aus- und Weiterbil dungen sind Inhalt der Unteransprüche.

In der Erkenntnis, daß es sich beim rückgeführten Abgas bzw. Restgas um ein inertes Gas handelt, welches über seine Wärme positiv auf die thermi sche Gemischbildung im Zylinder bzw. im Brennraum wirken kann, wird er findungsgemäß vorgeschlagen, anfänglich eine Vermischung des über das Auslaßventil rückgeführten Abgases mit dem über das Einlaßventil einge brachten Frischgas zu verhindern. In besonders vorteilhafter Weise ist dies möglich, wenn - wie vorgeschlagen - dem rückgeführten Abgasstrom ein um die Zylinder-Längsachse orientierter Drall aufgeprägt wird, da durch das tan gential zur Zylinderwand strömende Abgas im Wandbereich des Brennkraft maschinen-Zylinders die Vergasung des in den Zylinder-Brennraum einge brachten Kraftstoffes durch die größere Hitze verbessert wird, so daß die durch Spalte im Brennraum verursachten HC-Emissionen reduziert werden.

Eine weitere Steigerung der erfindungsgemäßen Wirkung ist erzielbar, wenn die interne AGR sowie das Einbringen von Frischgas über das (oder die) Einlaßventil(e) noch deutlicher voneinander entkoppelt wird, so bspw. durch eine zeitliche Trennung der beiden Ladungsbewegungen, nämlich der Be wegung des Abgases im Zylinder einerseits und der Bewegung des Frisch gases im Zylinder andererseits. Am einfachsten ist dies erzielbar, wenn der rückgeführte Abgasstrom zeitlich vor dem über das Einlaßventil eingebrach ten Frischgas in den Zylinder gelangt, was durch eine geeignete Festlegung der Ventilsteuerzeiten und/oder ggf. der Ventilerhebungskurven auf einfache Weise möglich ist.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Hubkolben-Brenn kraftmaschine zur Realisierung der letztgenannten Maßnahme mit ei nem variablen Betätigungsmechanismus für die Einlaßventile und Auslaß ventile ausgestattet sein kann, so daß diese Maßnahme in Abhängigkeit vom jeweiligen Brennkraftmaschinen-Betriebspunkt unterschiedlich umgesetzt werden kann. Variiert werden kann dabei der Öffnungszeitpunkt und/oder der Schließzeitpunkt der Ladungswechsel-Ventile, d. h. deren Steuerzeiten, alternativ oder gleichzeitig aber auch deren Hubverlauf, d. h. deren Ventiler hebungskurven.

Eine weitere Maßnahme zur Entkoppelung der beiden Ladungsbewegungen von eingebrachtem Frischgas und rückgeführtem Abgas im Zylinder vonein ander besteht darin, daß dem über das Einlaßventil eingebrachten Frischgas eine im wesentlichen senkrecht auf die Zylinder-Querschnittsfläche auftreffende walzenförmigen Tumble-Strömung aufgeprägt wird. Während sich so mit das intern rückgeführte Abgas in Form einer Drallströmung im Zylinder bewegt, führt das Frischgas eine Tumble-Strömung aus, wobei zur Erzeu gung derselben die in der o.g. DE 195 35 147 A1 beschriebenen Maßnah men vorgesehen sein können.

Was nun die Erzeugung eines Dralles des intern, d. h. über die Auslaßventile rückgeführten Abgasstromes betrifft, so sind auch hierfür verschiedene Maßnahmen möglich, wobei noch darauf hingewiesen sei, daß nicht nur die se verschiedenen Maßnahmen zur Drallerzeugung im rückgeführten Ab gasstrom miteinander kombinierbar sind, sondern ebenso auch die oben er läuterten Maßnahmen zur Entkoppelung der beiden Ladungsbewegungen von eingebrachtem Frischgas und rückgeführtem Abgas im Zylinder vonein ander. Daß hiermit eine besonders intensive erfindungsgemäße Wirkung erzielbar ist, liegt auf der Hand.

Zurückkommend zur Drallerzeugung am intern rückgeführten Abgasstrom kann - wie die lediglich beispielshalber beigefügten Fig. 1a, 1b zeigen - der Ventilteller 11 des Auslaßventiles 10 auf einem Sektor 11a seiner dem Auslaßkanal zugewandten Oberseite ein Strömungshindernis 12 aufweisen, bspw. im Form des hier dargestellten Schirmes. Dabei zeigt Fig. 1a lediglich einen Teil des ansonsten wie üblich im nicht dargestellten Brennkraftmaschi nen-Zylinderkopf und dort im Mündungsbereich des Auslaßkanales in den Zylinder angeordneten Auslaßventiles 10, und Fig. 1b die Aufsicht auf den Ventilteller 11 vom Auslaßkanal aus.

Zur Drallerzeugung kann aber auch der Mündungsbereich des Auslaßkana les im Brennraum derart gestaltet sein, daß bei einem kleinen Ventilhub des Auslaßventiles ein Winkelbereich des sog Einlaßströmungsquerschnittes, über den das rückgeführte Abgas bei zumindest teilweise geöffnetem Aus laßventil in den Zylinder einströmt, im wesentlichen versperrt bleibt. Wie der Mündungsbereich des Auslaßkanales hierfür konkret gestaltet sein kann, ist in der eingangs genannten und an späterer Stelle gewürdigten DE 195 35 147 A1 für einen Einlaßkanal unter Verwendung einer im wesent lichen gleichen Formulierung ausführlich beschrieben, weshalb hier der Ein fachheit halber ausdrücklich auf diese Schrift Bezug genommen wird. In der Fachwelt wird diese Maßnahme im übrigen auch als Ventil-Maskierung be zeichnet, ist jedoch bislang nur für Einlaßventile von Hubkolben- Brennkraftmaschinen bekannt.

Wie diese Maßnahme, nämlich die Maskierung des Mündungsbereiches des Auslaßkanales an einer Brennkraftmaschine mit jeweils zwei Einlaßventilen 21 und Auslaßventilen 22 je Zylinder umgesetzt sein kann, zeigt die Prinzip darstellung nach Fig. 2, wobei der "maskierte", d. h. bei einem kleinen Ventil hub des (oberen) Auslaßventiles 22 im wesentlichen versperrt bleibende Einlaßströmungsquerschnitt mit der Bezugsziffer 23 bezeichnet ist.

Noch eine weitere Maßnahme zur Drallerzeugung in der intern rückgeführten Abgasströmung besteht darin, bei zumindest zwei Auslaßventilen je Zylinder deren Steuerzeiten verschieden zu gestalten, d. h. daß ein Auslaßventil frü her öffnet und/oder früher schließt als das oder die anderen Auslaßventil(e). Für Brennkraftmaschinen-Einlaßventile ist diese Maßnahme selbstverständ lich bereits bekannt, nicht jedoch für Auslaßventile. Letzteres jedoch ist das wesentliche der vorliegenden Erfindung, nämlich an einer Brennkraftmaschi ne mit interner AGR Maßnahmen vorzusehen, mit Hilfe derer ein im wesent lichen um die Zylinder-Längsachse orientierter Drall des rückgeführten Ab gasstromes erzeugbar ist.

Claims

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Einlaßventil und einem Auslaßventil je Zylinder, wobei über letzteres zumindest in eini gen Brennkraftmaschinen-Betriebspunkten durch geeignete Ventil-Steuer zeiten eine interne Abgasrückführung in den Zylinder-Brenn raum erfolgt, gekennzeichnet durch Maßnahmen zur Erzeugung eines im wesentli chen um die Zylinder-Längsachse orientierten Dralles des rückge führten Abgasstromes.

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rückgeführte Abgasstrom zeitlich vor dem über das Einlaßventil eingebrachten Frischgas in den Zylin der gelangt.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Maßnahmen zur Erzeugung einer im wesentli chen senkrecht auf die Zylinder-Querschnittsfläche auftreffenden wal zenförmigen Tumble-Strömung des über das Einlaßventil einge brachten Frischgases.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine der folgenden Maßnahmen zur Erzeugung eines Dralles des rückgeführten Abgas stromes:

- der Ventilteller (11) des Auslaßventiles (10) weist auf einem Sektor (11a) seiner dem Auslaßkanal zugewandten Oberseite ein Strö mungshindernis (12) auf;
- der Mündungsbereich des Auslaßkanales im Brennraum ist derart ge staltet, daß bei einem kleinen Ventilhub des Auslaßventiles (22) ein Winkelbereich des am Auslaßventil (22) definierten sog. Einlaßströ mungsquerschnittes (23) im wesentlichen versperrt bleibt;
- es sind zumindest zwei Auslaßventile (22) je Zylinder vorgesehen, deren Steuerzeiten sich unterscheiden.