DE19960626A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit unterteiltem Gaseinlaßkanal - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine, die je Zylinder wenigstens einen in wenigstens eine Durchtrittsöffnung (3) ausmündenden Gaseinlaßkanal (4) aufweist, der über zumindest eine Teillänge durch wenigstens eine Trennwand (5) in wenigstens zwei Teilkanäle (4.1, 4.2) unterteilt ist, die zumindest für einen Teilkanal (4.1, 4.2) eine in Strömungsrichtung verlaufende rinnenförmige Profilierung aufweist.

Description

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist es beispielsweise aus WO 95/17589 und DE-A-198 03 867 bekannt, zumindest den mit dem Gaseinlaßventil eines jeden Zylinders in Verbindung ste­ henden Gaswechselkanal über zumindest eine Teillänge durch wenigstens eine Trennwand in zwei Teilkanäle zu unterteilen. Hierbei ist dann in Strömungsrichtung gesehen am Anfang der Trennwand zumindest für einen der beiden Teilkanäle ein Stellmittel vorgesehen, durch das der diesen Teilkanal durch­ strömende Volumenstrom beeinflußt werden kann. Damit ist es möglich, daß die Strömung durch mindestens einen der Teilka­ näle gezielt einem Abschnitt des Ventilspaltbereiches des Ga­ seintrittsventils zugeleitet und die Verteilung der in den Zylinder einströmenden Luftmasse oder Ladungsmasse über den Ventilspalt durch Drosselung des anderen Teilstromes verän­ dert werden kann. Da die Verteilung der Ladungsmasse über den Ventilspalt die Ausbildung eines Wirbels im Zylinder be­ stimmt, kann durch die Drosselung zumindest eines der Teilka­ näle letztlich die Wirbelausbildung und die Wirbelintensität im Zylinder gesteuert werden. Gleichzeitig ist die Möglich­ keit gegeben, den Grad der Vermischung der unterschiedlichen Ladungsbestandteile zu beeinflussen. Hierdurch wird erreicht, daß die Massenverteilung auf den oberen und den unteren Ven­ tilspaltbereich beeinflußbar wird. Wird ein größerer Massean­ teil durch den oberen Ventilspaltbereich geführt, bildet sich in dem Zylinder ein Walzenwirbel (Tumble) aus, welcher die Verbrennung günstig beeinflussen kann und eine, wenn gewollt, stabile Schichtung zwischen Luft-Kraftstoff und/oder Abgas ermöglicht. Die Wirbelausbildung bei geschlossenem unteren Teilkanal führt darüber hinaus zu einem günstigen Brennver­ halten bei geringen Motorlasten (Teillast). Bei Vollast dagegen sollen keine intensiven Wirbel erzeugt wer­ den, d. h. beide Teilkanäle sollen offen sein.

Schon aus baulichen Gründen steht der vorzugsweise oben lie­ gende erste Teilkanal mit der Kraftstoffzufuhr in Verbindung, beispielsweise in der Weise, daß eine Kraftstoffeinspritzdüse in diesen Teilkanal ausmündet. Je nach Betriebszustand strömt nun bei geschlossenem oder geringfügig geöffnetem unteren Teilkanal das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den oben liegen­ den ersten Teilkanal und wird hierbei vornehmlich dem oben liegenden Ventilspaltbereich zugeleitet. In dem Maße, wie über den darunterliegenden zweiten Teilkanal die Zufuhr von Luft oder auch von Abgas aus der Abgasrückführung erhöht wird, wird auch die dem unteren Ventilspaltbereich zugeleite­ te Ladungsmasse erhöht, so daß entsprechend der Erhöhung der Gasströmung durch den zweiten Teilkanal die Wirbelausbildung im Zylinder verringert wird. Durch eine Steuerung der Vertei­ lung der durch den Gaseinlaß geführten Ladungsmasse auf die beiden Teilkanäle kann die Intensität des Walzenwirbels stu­ fenlos beeinflußt werden. Diese Funktionsweise gilt auch für Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung.

Bei einer entsprechenden konstruktiven Gestaltung der Ka­ naltrennung und/oder der Wahl des Zeitpunktes der Kraftstoff­ zuführung (Einspritzzeitpunkt) kann die Vermischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder des Abgas-Kraftstoff-Luft- Gemisches beeinflußt werden. Hierbei kann sowohl eine inten­ sive Vermischung (homogenes Gemisch) wie auch eine starke Schichtung der Gemische erzielt werden. Die Konstruktion er­ laubt es ferner, in mindestens einen Teilkanal Abgas einzu­ leiten und in Abhängigkeit von der Drosselung des anderen Teilkanals eine mehr oder minder starke Schichtung des Abgas- Luft-Kraftstoff-Gemisches zu erzielen. Bei der Anordnung von mehreren Einlaßventilen je Zylinder besteht nun die Möglich­ keit, für alle Einlaßventile einen gemeinsamen Einlaßbereich vorzusehen, in dem die den Einlaßkanal unterteilende Trenn­ wand endet oder aber von einem gemeinsamen Kanalteil ausge­ hend jedem Einlaßventil eines Zylinders durch entsprechende Aufteilung in zwei Parallelkanäle einen eigenen Einlaß zu ge­ ben. Im letzteren Fall reicht die Trennwand durch eine ent­ sprechende Aufteilung vom gemeinsamen Kanalteil bis in den Bereich der beiden Parallelkanäle hinein, so daß das Ende der Trennwand auch hier jeweils bis dicht an den Ventilspalt des betreffenden Einlaßventils herangeführt werden kann.

Aus WO 95/17589 ist es bekannt, die Trennwand durch entspre­ chende Gußkerne bei der Herstellung des Zylinderkopfes mitzu­ gießen oder aber in die Gießform ein entsprechendes Bauele­ ment aus einem anderen Material, beispielsweise ein Blech­ stanzteil einzulegen und dieses fest in den Zylinderkopf mit einzugießen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kolben­ brennkraftmaschine der vorstehend bezeichneten Art in bezug auf die Gestaltung ihrer Gaswechselkanäle, insbesondere der Gaseinlaßkanäle, zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kolben­ brennkraftmaschine, die je Zylinder wenigstens einen in we­ nigstens einer Durchtrittsöffnung ausmündenden Gaswechselka­ nal aufweist, der über zumindest eine Teillänge durch wenig­ stens eine Trennwand in wenigstens zwei Teilkanäle unterteilt ist, die zumindest für einen Teilkanal eine in Strömungsrich­ tung verlaufende rinnenförmige Profilierung aufweist. Bevor­ zugt ist hierbei, daß die durch die Trennwand definierte Tei­ lungsebene im wesentlichen quer zur Achse des Zylinders ver­ laufend ausgerichtet ist. Gegenüber der vorbekannten glatt­ flächigen Ausbildung der Trennwände bietet die erfindungsge­ mäß vorgesehene rinnenförmige Profilierung die Möglichkeit, den in den Zylinderraum eintretenden Massestrom auch quer zu seiner Strömungsrichtung zu profilieren, d. h. "Strähnen" mit höherer Massestromdichte zu schaffen, so daß der durch den betreffenden Teilkanal strömende Massestrom entsprechend ge­ formt wird. So ist es beispielsweise möglich, durch zwei im wesentlichen parallel laufende Rinnen, die zumindest in der Nähe der Durchtrittsöffnung angeordnet sind, insbesondere für den oberen Teilkanal zwei Teilströme mit erhöhtem Massestrom vorzusehen, diese zu beiden Seiten des im Endbereich des Ein­ laßkanals diesen durchsetzenden Ventilschaftes vorbeizufüh­ ren, um so eine Verwirbelung bzw. eine ungewollte Ablenkung des Massestroms zum Rande hin zu vermeiden. Durch eine ent­ sprechende Gestaltung der Rinnenform kann auch erreicht wer­ den, daß der Hauptteil des Massestroms je nach der Brennraum­ gestaltung stärker zur Zylindermitte oder stärker zur Zylin­ derwandung abgelenkt werden kann.

Während es grundsätzlich möglich ist, eine derartige rinnen­ förmige Gestaltung in bezug auf beide Teilkanäle vorzusehen, beispielsweise durch einen wellenförmigen Querschnitt der Trennwand, kann es zweckmäßig sein, die Rinnenform nur einem Teilkanal, beispielsweise dem oberen Teilkanal zuzuordnen, während die Trennwand für den anderen Teilkanal ebenflächig gestaltet ist.

Eine im Querschnitt wellenförmige Gestaltung der Trennwand hat sowohl für die mitgegossene Trennwand, insbesondere aber für eine als gesondertes Bauteil, insbesondere als gesonder­ tes Blechteil eingegossene Trennwand den Vorteil, daß hier die infolge von Wärmedehnungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturlagen auftretenden Abstandsänderungen ohne weiteres aufgenommen werden können und Brüche der Trennwand, bzw. ein Herauslösen der Trennwand aus dem Gußmaterial vermieden wird. Die erfindungsgemäße Konzeption ist jedoch nicht auf eine ge­ gegossene oder eingegossene Trennwand beschränkt. Auch bei einer nachträglich als Blechteil beispielsweise in eingegos­ sene Schlitze in der Kanalseitenwand eingeschobenen Trennwand sind sowohl die verfahrenstechnischen Vorteile gegeben, aber auch durch unterschiedliche Wärmedehnungen auftretende kon­ struktive Probleme gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Unteransprüchen sowie der nachstehenden Be­ schreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Teilausschnitt des Zylinderkopf­ bereichs mit einem Gaseinlaßkanal und Gaseinlaß­ ventil,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 mit geöffneten Teil­ kanälen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teilkanal gemäß der Linie III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 3 mit einer abge­ wandelten Ausführungsform für eine Trennwand,

Fig. 5 eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 1.

In Fig. 1 ist in einem Teilausschnitt ein Zylinderkopf 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine dargestellt. Die Kolbenbrenn­ kaltmaschine ist bei den nachfolgend beschriebenen Zeichnun­ gen jeweils mit einem Einlaßventil 2 je Zylinder versehen, das eine Einlaßöffnung 3 öffnet und verschließt. Die Einlaß­ öffnung 3 ist einem Einlaßkanal 4 zugeordnet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Trennwand 5 in einen ersten Teilkanal 4.1 und einen zweiten Teilkanal 4.2 unterteilt ist. Die Trennwand 5 erstreckt sich hierbei mit ihrer Teilungsebene quer zur Achse 6 des Zylinders und endet mit ihrer Endkante 7 entweder unmittelbar vor dem Schaft 8 des Einlaßventils 2. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Trenn­ wand in ihrem Endbereich aber auch mit einer Ausnehmung 13 versehen sein, die den Schaft 8 des Einlaßventils 2 seitlich umgreift, so daß die Endkanten 7.1 der hierdurch gebildeten Trennwandzungen 5.1 bis nahe an den Bereich der Einlaßöffnung 3 herangeführt werden können.

Der unter einem Winkel zur Zylinderachse 6 mit seiner Trenn­ wand 5 verlaufende Einlaßkanal 4 endet in einem Einlaßbereich 9, der im wesentlichen durch einen nach unten in den Zylinder gerichteten Krümmungsbereich gebildet wird und der durch die Einlaßöffnung 3 begrenzt ist.

Die Anordnung ist grundsätzlich auch bei mehreren Einlaßven­ tilen je Zylinder anwendbar. In diesem Fall sind entweder zwei durchgehende parallele oder spiegelsymmetrische Einlaß­ kanäle je Einlaßventil vorgesehen oder aber ein zunächst zen­ traler Kanalteil ist gabelförmig unterteilt und mit zwei ent­ sprechend verlaufenden Parallelkanälen jeweils bis an die zu­ gehörigen Gaseinlaßventile herangeführt. Bei dieser Ausfüh­ rungsform erstreckt sich die Trennwand 5 ebenfalls mit ent­ sprechend gabelförmiger Aufteilung bis in die gabelförmigen Parallelkanäle hinein. Der Begriff "Parallelkanäle" wird im Zusammenhang mit der Erfindung nicht im streng geometrischen Sinne verstanden, sondern umfaßt alle Bauformen, bei denen jeweils mehreren Einlaßventilen entsprechende Einlaßkanäle zugeordnet sind.

In den ersten Teilkanal 4.1 mündet beispielsweise die hier nicht näher dargestellte, sondern durch den Pfeil 10 angedeu­ tete Einspritzdüse, so daß durch den Teilkanal 4.I ein Kraft­ stoff-Luft-Gemisch in den Zylinder geführt wird. Der Teilka­ nal 4.2 wird mit Luft, einem Abgas-Luft-Gemisch, einem Luft- Kraftstoff-Gemisch, einem Abgas-Luft-Kraftstoff-Gemisch oder mit rückgeführtem Abgas beaufschlagt, so daß die Vermischung der durch die beiden Teilkanäle geführten Gemische frühestens ab dem Zusammenströmen im Einlaßbereich 9 erfolgen kann.

Der unten liegende Teilkanal 4.2 ist mit einem Mittel 11 zur Veränderung des freien Strömungsquerschnittes, beispielsweise einer Drosselklappe 11 versehen, die in Abhängigkeit von dem gewünschten Lastzustand der Kolbenbrennkraftmaschine ange­ steuert wird.

Die unterschiedlichen Strömungsrichtungen des durch den Ein­ laß 4 geführten Gasstromes sind nun anhand von Fig. 1 und von Fig. 2 für unterschiedliche Öffnungsstellen der Drosselklappe 11 dargestellt. Durch die unterschiedliche Stellung der Dros­ selklappe 11 wird erreicht, daß die Masseverteilung auf den oberen Ventilspaltbereich 4.3 und den unteren Ventilspaltbe­ reich 4.4 beeinflußt wird. Bei einem größeren Masseanteil durch den oberen Ventilspaltbereich 4.3, wie er beispielswei­ se bei teilweiser Schließstellung der Drosselklappe 11 er­ reicht wird, bildet sich im Zylinder der Kolbenbrennkraftma­ schine ein Walzenwirbel (Tumble) aus, welcher die Verbrennung günstig beeinflussen kann und eine, wenn gewollt, stabile Schichtung zwischen Luft-Kraftstoff und/oder Abgas ermög­ licht. Die Wirbelausbildung bei geschlossenem unterem Teilka­ nal führt darüber hinaus zu einem günstigen Brennverhalten bei geringen Motorlasten (Teillast). Bei Vollast sollen keine Wirbel erzeugt werden, d. h. beide Teilkanäle 4.1 und 4.2 sol­ len offen sein.

Wird nun, wie in Fig. 1 dargestellt, über die Drosselklappe 11 der Volumenstrom durch den unteren Teilkanal 4.2 gegenüber dem Volumenstrom durch den oberen Teilkanal 4.1 reduziert, so wird ein größerer Masseanteil an der Gesamtmasse durch den oberen Ventilspaltbereich 4.3 in den Zylinder geleitet als durch den unteren Ventilspaltbereich 4.4. Über die Verteilung der Ladungsmassen auf die beiden Ventilspaltbereiche kann so­ mit die Intensität des sich im Zylinder ausbildenden Walzen­ wirbels gesteuert werden.

Bei einer ebenflächigen Ausbildung der Trennwand 5 wirkt der Schaft 8 des Einlaßventils 2 für den einströmenden Massestrom als "Störkörper", durch den in Richtung der Strömung gesehen auf seiner Rückseite entsprechende Ablösewirbel induziert werden.

Um hier die Strömungsverhältnisse zu verbessern, weist die Trennwand 5 zumindest im Nahbereich der Endkante 7 eine rin­ nenförmige Profilierung auf, die beispielsweise dadurch ge­ bildet werden kann, daß der Endbereich als Leitkörper 14 ge­ staltet ist, wie dies im Querschnitt gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Hierdurch wird die Hauptmenge des durch den oberen Teil­ kanal geführten Luftstroms praktisch in zwei Teilströme auf­ geteilt, die zu beiden Seiten des Schaftes 8 vorbeigeführt werden. Die Anordnung kann hierbei so getroffen werden, daß die rinnenförmige Gestaltung nur auf der dem oberen Teilkanal 4.1 zugekehrten Seite der Trennwand 5 angeordnet ist, während die untere Trennwandseite glattflächig ausgebildet ist, da bei Vollast und voll geöffnetem Teilkanal 4.2 die Einflüsse der sich hinter dem Ventilschaft 8 ausbildenden Wirbel von geringerem Einfluß sind.

In Fig. 4 ist in einer Abwandlung eine Querschnittsform dar­ gestellt, bei der die Trennwand 5 in bezug auf beide Teilka­ näle 4.1 und 4.2 einen im Querschnitt gesehen wellenförmige Profilierung aufweist, die für den oberen Teilkanal 4.1 wie­ der zu einer Rinnenstruktur führt, die den Luftstrom in Teil­ kanal 4.1 im wesentlichen in zwei Luftströme aufgeteilt zu beiden Seiten des Ventilschaftes 8 vorbeiführt.

Sowohl die Ausführungsform gemäß Fig. 3 als auch die Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 4 können entweder, wie im Längsschnitt gemäß Fig. 1 dargestellt, sich nur über eine Teillänge der Trennwand 5 erstrecken oder aber sich auch über die Gesamt­ länge der Trennwand 5 erstrecken.

Insbesondere dann, wenn sich die rinnenförmige Profilierung über die gesamte Länge der Trennwand erstreckt, hat die Aus­ führungsform gemäß Fig. 4 den Vorteil, daß sie als gesonder­ tes Bauteil, beispielsweise als gesondertes Blechelement mit in den Gießkern eingelegt und fest mit dem den Gaseinlaßkanal bildenden Teil des Zylinderkopfes eingegossen werden kann. Damit können unterschiedliche Wärmedehnungen des Zylinder­ kopfmaterials, beispielsweise Aluminium, und des Trennwandma­ terials, beispielsweise ein wärmebeständiges Stahlblech, pro­ blemlos aufgenommen werden. Die anhand von Fig. 4 als Quer­ schnitt dargestellte Wellenstruktur bietet jedoch auch bei einer mitgegossenen Trennwand die Vorteile des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmedehnungen infolge von Flächentempera­ turunterschieden.

Durch eine entsprechende Führung der durch die wellenartige Profilierung der Trennwand 5 gebildeten Rinnen in Richtung der Gasströmung kann nun je nach den Anforderungen die Aus­ richtung der durch die Gaseinlaßöffnung 3 geführten Strömung in bezug auf den Zylinder auch noch in Querrichtung beein­ flußt werden, so daß bei einer entsprechenden Gestaltung und Ausrichtung der Rinnen im Bereich der Endkante 7, insbesonde­ re dann, wenn, wie in Fig. 5 dargestellt, durch eine entspre­ chende Ausnehmung 13 in der Trennwand 5 die Endkante 7.1 in Form der Trennwandzungen 5.1 bis nahe an den Einlaßbereich 9 herangeführt sind. Durch eine entsprechende Formung der Trennwandzungen 5.1 läßt sich auch noch eine Querkomponente dem Gasstrom aufprägen.

Die vorstehend beschriebenen Trennwandgestaltungen lassen sich auch an Gasauslaßkanälen einsetzen, wenn hier eine Ver­ besserung der Strömung des Abgases nach Art eines Strömungs­ gleichrichters bewirkt werden soll, zumal gerade im Bereich der Gasauslaßkanäle erhebliche Temperaturunterschiede zwi­ schen der Trennwand und dem den Auslaßkanal umgebenden, ge­ kühlten Bereichszylinderkopf auftreten können.

Claims (6)

1. Kolbenbrennkraftmaschine, die je Zylinder wenigstens einen in wenigstens eine Durchtrittsöffnung (3) ausmündenden Gas­ einlaßkanal (4) aufweist, der über zumindest eine Teillänge durch wenigstens eine Trennwand (5) in wenigstens zwei Teil­ kanäle (4.1, 4.2) unterteilt ist, die zumindest für einen Teilkanal (4.1; 4, 2) eine in Strömungsrichtung verlaufende rinnenförmige Profilierung aufweist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch die Trennwand (5) definierte Tei­ lungsebene im wesentlichen quer zur Achse (6) des Zylinders verlaufend ausgerichtet ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5) zumindest auf einer Fläche wenigstens eine Rinne aufweist.

4. Trennwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand (5) durch ein Formteil aus Blech gebildet wird.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (5) mit seinen Längsrändern im Material der Kanalwandung befestigt ist.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (5) durch Eingießen im Material der Kanalwandung befestigt ist.