DE202014102190U1

DE202014102190U1 - Brennkraftmaschine mit Ansaugsystem umfassend eine Gesamtansaugleitung

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Publication number: DE202014102190U1
Application number: DE202014102190.6U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-05-23
Anticipated expiration: 2024-05-13

Abstract

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) mit einem entlang einer Längsachse des Zylinders verschiebbaren Kolben, die mindestens drei Einlassöffnungen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft in den mindestens einen Zylinder (1, 2, 3, 4) via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist, wobei
– zu jeder Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) eine Ansaugleitung (5₁, 5₂, 5₃, 5₄) führt, und
– die Ansaugleitungen (5₁, 5₂, 5₃, 5₄) unter Ausbildung einer Sammelstelle (7a) und eines Einlasskrümmers (8a, 8b) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Gesamtansaugleitung (7) einen Querschnitt hat, der in Strömungsrichtung keine sprunghafte Veränderung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder mit einem entlang einer Längsachse des Zylinders verschiebbaren Kolben, die mindestens drei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft in den mindestens einen Zylinder via Ansaugsystem aufweist, wobei

– zu jeder Einlassöffnung eine Ansaugleitung führt, und
– die Ansaugleitungen unter Ausbildung einer Sammelstelle und eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.

Eine Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung mindestens eines Zylinders miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders und das Füllen des mindestens einen Zylinders mit Frischluft über die Einlassöffnungen. Ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet, kann die Ladeluft neben der aus der Umgebung angesaugten Frischluft auch Abgas umfassen. Wird der Kraftstoff nicht direkt in den Zylinder eingespritzt, sondern beispielsweise stromaufwärts des mindestens einen Zylinders in das Ansaugsystem eingebracht, wird nicht nur die Frischluft bzw. Ladeluft, sondern vielmehr auch der Kraftstoff dem mindestens einen Zylinder via Einlassöffnungen zugeführt.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung eines Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten.
Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden in der Regel unter Ausbildung mindestens eines sogenannten Einlasskrümmers zusammengeführt; häufig zu einer einzelnen Gesamtansaugleitung.
Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, werden die Ansaugleitungen unter Ausbildung einer Sammelstelle und eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammengeführt.
An das Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. So wird unter anderem eine Anordnung und Ausbildung der Ansaugleitungen angestrebt, die zu einem möglichst geringen Druckverlust in der angesaugten Ladeluft führt, um eine gute Füllung des mindestens einen Zylinders zu gewährleisten.
Die Geometrie einer Ansaugleitung hat zudem Einfluss auf die Ladungsbewegung im Brennraum eines Zylinders und damit auf die Gemischbildung, insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen. Häufig werden die Ansaugleitungen daher im Hinblick auf die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung ausgebildet, um die Gemischbildung zu beschleunigen und zu unterstützen, wobei ein Tumble ein Luftwirbel um eine gedachte Achse ist, die parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft, und als Drall ein Luftwirbel bezeichnet wird, dessen Achse parallel zur Kolben- bzw. Zylinderlängsachse verläuft.
Während des Ladungswechsels variiert der Druck entlang des Strömungsweges im Ansaugsystem. Derartige lokale Druckschwankungen breiten sich in gasförmigen Medien als Wellen aus. Um diese dynamischen Wellenvorgänge für die Optimierung des Ladungswechsels nutzbar zu machen, kann das Ansaugsystem in der Art ausgelegt werden, dass gegen Ende des Ansaugtaktes an den Einlassöffnungen eine Überdruckwelle ankommt, die zu einer Verdichtung und damit zu einem gewissen Nachladeeffekt führt. Zielführend sind dabei auch in der Länge variable Ansaugleitungen.
Gemäß dem Stand der Technik weist das Ansaugsystem immer ein sogenanntes Plenum auf, welches als großvolumiges Sammelbehältnis der Beruhigung der intermittierend angesaugten Frischluft dient. Prinzipbedingt steht das Plenum aufgrund des erforderlichen Volumens einer kompakten Bauweise des Ansaugsystems entgegen.
In das Ansaugsystem bzw. die Gesamtansaugleitung kann eine Vielzahl von zusätzlichen Leitungen einmünden, beispielsweise die Bypassleitung eines Ladeluftkühlers, die Bypassleitung eines Verdichters oder die Rückführleitung einer externen Abgasrückführung.
Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, ist ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte, gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden.
Das Ansaugsystem sollte auch der Problematik Rechnung tragen, dass im Rahmen einer Ladeluftkühlung zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren kann, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. Das ausgeschiedene Kondensat muss auf irgendeine Weise aus dem Ansaugsystem abgeführt werden, gegebenenfalls in die Zylinder der Brennkraftmaschine.
Wird zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine im Ansaugsystem bzw. in der Gesamtansaugleitung ein Verdichter eines Abgasturboladers vorgesehen, sollte dieser Verdichter möglichst nahe am Einlass, d. h. an den Einlassöffnungen der Zylinder, angeordnet sein, um auf diese Weise ein schnelles Ansprechen der Brennkraftmaschine beim Lastwechsel zu gewährleisten. Das Volumen des Leitungssystems zwischen den Einlassöffnungen des mindestens einen Zylinders und dem Verdichter sollte hierzu möglichst klein sein.
Darüber hinaus können Brennkraftmaschinen mit einer Heizvorrichtung ausgestattet werden, die im Ansaugsystem angeordnet ist und der Erwärmung der Ladeluft dient. Das Erwärmen der Ladeluft kann unterschiedlichen Zielsetzungen dienen, beispielsweise der Verkürzung der Warmlaufphase nach einem Kaltstart. Darüber hinaus kann ein solches Heizelement während der Regeneration eines Partikelfilters zugeschaltet werden, ebenso wenn das Motordrehmoment und die Motordrehzahl einen vorgegebenen Mindestwert unterschreiten.
Zu berücksichtigen ist auch, dass eine zügige Aufheizung der Brennkraftmaschine mittels vorerwärmter Ladeluft zu einer schnelleren, vorliegend indirekten Erwärmung des Motoröls führt. Die damit einhergehende Abnahme der Viskosität bedingt eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern; ein Effekt, der sich vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf die Kohlendioxidemission der Brennkraftmaschine auswirkt.
Die herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Ansaugsysteme weisen hinsichtlich der zahlreichen, vorstehend dargelegten Anforderungen noch erhebliches Verbesserungspotential auf.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Ansaugsystems optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder mit einem entlang einer Längsachse des Zylinders verschiebbaren Kolben, die mindestens drei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft in den mindestens einen Zylinder via Ansaugsystem aufweist, wobei

– zu jeder Einlassöffnung eine Ansaugleitung führt, und
– die Ansaugleitungen unter Ausbildung einer Sammelstelle und eines Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen,

– die Gesamtansaugleitung einen Querschnitt hat, der in Strömungsrichtung keine sprunghafte Veränderung aufweist.

Das Ansaugsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt über eine Gesamtansaugleitung ohne sprunghafte Querschnittsveränderung. Dies impliziert insbesondere, dass das Ansaugsystem kein großvolumiges Sammelbehältnis zur Beruhigung der angesaugten Frischluft bzw. Ladeluft aufweist bzw. benötigt, denn ein solches Sammelbehältnis geht regelmäßig mit einer sprunghaften Querschnittsveränderung einher.
Dadurch, dass der Querschnitt sich nicht sprunghaft ändert, lassen sich Turbulenzen vermeiden und die Ladeluft lässt sich unter möglichst geringem Druckverlust in Richtung der Einlassöffnungen leiten. Auf diese Weise wird eine gute Füllung des mindestens einen Zylinders gewährleistet.
Das Fehlen eines Plenums ermöglicht eine kompakte Bauweise des Ansaugsystems, wobei mit diesem konstruktiven Merkmal des erfindungsgemäßen Ansaugsystems ein technisches Vorurteil überwunden wird, denn ein Plenum gilt üblicherweise als unverzichtbar und notwendig.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Ansaugsystems führt zu einer Verkleinerung des Volumens und zu einer Verkleinerung der wärmeübertragenden Oberfläche des Ansaugsystems im Bereich der Gesamtansaugleitung. Ein kleineres Volumen des erfindungsgemäßen Ansaugsystems führt zu einem kompakten Ansaugsystem und damit zu einer kompakten Brennkraftmaschine und gestattet gegebenenfalls eine Integration des Einlasskrümmers in den Zylinderkopf. In jedem Fall vereinfacht das kleinere Volumen die weitestgehende Integration des Ansaugsystems in den Zylinderkopf. Damit ergeben sich auch Vorteile beim Einsatz einer Abgasturboaufladung, da ein nahe an den Einlassöffnungen der Zylinder angeordneter Verdichter infolge des kleinen Volumens des stromabwärts gelegenen Ansaugsystems für ein gutes bzw. verbessertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine sorgt.
Eine Verkleinerung der wärmeübertragenden Oberfläche führt zu einem verringerten Wärmeübergang zwischen der im Ansaugsystem befindlichen Ladeluft und dem Material, welches das Ansaugsystem bzw. die Gesamtansaugleitung bildet. Die verkleinerte Oberfläche unterstützt die Aufheizung der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart und wirkt einer Abkühlung der Ladeluft entgegen. Die verkleinerte Oberfläche hemmt zudem die Aufheizung einer mittels Ladeluftkühlung herunter gekühlten Ladeluft bei einer auf Betriebstemperatur aufgeheizten Brennkraftmaschine.
Die Gefahr, dass im Rahmen einer Ladeluftabkühlung zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, bei Unterschreiten der Tautemperatur auskondensieren, wird verringert.
Die Gesamtansaugleitung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Ansaugsystems optimiert ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen, wenn mehrere Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind. Dann hat jeder Zylinderkopf mindestens einen Zylinder.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem kein Plenum aufweist. Es wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
Erfindungsgemäß wird die via Ansaugsystem bzw. Gesamtansaugleitung eingeleitete Ladeluft auf mindestens drei Einlassöffnungen verteilt, die zu einem einzigen Zylinder, aber auch zu zwei oder drei oder mehreren Zylindern gehören können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder aufweist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei Einlassöffnungen zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist.
Wie bereits erwähnt, wird im Rahmen des Ladungswechsels eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt, um die Drosselverluste in der einströmenden Ladeluft gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, mehr als eine Einlassöffnung, d. h. mindestens zwei Einlassöffnungen vorzusehen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen eines Zylinders innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung zusammenführen. Andernfalls erhöht sich die Anzahl der aus dem Zylinderkopf austretenden Ansaugleitungen deutlich, was mit Nachteilen hinsichtlich der Montage und Dichtigkeit des Ansaugsystems verbunden ist.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang aber dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Ansaugleitungen eines Zylinders außerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskrümmer in einem Übergangsbereich von der Gesamtansaugleitung hin zur Sammelstelle eine runde Innenwandung aufweist. Die runde Innenwandung dient der Strömungsführung und wirkt damit einem Abreißen der Strömung von der Innenwandung entgegen. Turbulenzen werden vermieden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die im Übergangsbereich vorgesehene runde Innenwandung zumindest abschnittsweise einen Krümmungsradius R₁ aufweist mit R₁ ≥ 15mm.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet sind, dass gilt: R₁ ≥ 20mm.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet sind, dass gilt: R₁ ≥ 25mm.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang darüber hinaus Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet sind, dass gilt: R₁ ≥ 30mm.
Je größer der Krümmungsradius R₁ der Innenwandung im Übergangsbereich ist, desto vorteilhafter ist dies für die Strömungsführung.
Vorteilhaft sind in Bezug auf den Übergangsbereich Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Einlasskrümmer im Übergangsbereich außenwandig einen spitzen Winkel α ≤ 90° aufweist, den eine stromaufwärts des Übergangsbereichs von außen an die Gesamtansaugleitung angelegte erste Ebene A mit einer stromabwärts des Übergangsbereichs von außen an den Einlasskrümmer angelegten zweiten Ebene B ausbildet, wobei die erste Ebene A und die zweite Ebene B parallel zur Längsachse des mindestens einen Zylinders verlaufen. Ein spitzer Winkel α gestattet es insbesondere, die außenliegenden Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine unter geringem Druckverlust und unter Ausbildung möglichst weniger Strömungsturbulenzen mit Ladeluft zu versorgen. Dies gilt insbesondere in Kombination mit einem erfindungsgemäß großen Krümmungsradius R₁.
Das Ansaugsystem zumindest in Teilen symmetrisch auszubilden hat Vorteile. Eine spiegelbildliche Ausbildung zylinderzugehöriger Ansaugsysteme eines Zylinderpaares führt zu physikalisch, insbesondere strömungstechnisch gleichen, zumindest aber sehr ähnlichen Randbedingungen am Zylindereinlass. Insbesondere lassen sich gleiche Drücke bzw. Druckverhältnisse am Zylindereinlass generieren. So gelangen beim Ladungswechsel gleichgroße Ladeluftmengen in die Zylinder und eine beim Einströmen in den Zylinder gegebenenfalls erzeugte Ladungsbewegung fällt bei den beiden Zylindern des betreffenden Zylinderpaares einheitlich aus. In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass jede von Zylinder zu Zylinder auftretende Abweichung bzw. Varianz als nachteilig anzusehen ist und zwar sowohl in thermodynamischer als auch in mechanischer Hinsicht.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind daher Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene, die senkrecht auf der Längsachse des Zylinderkopfes steht. Zumindest die außenliegenden Zylinder, beispielsweise eines Drei-Zylinder-Reihenmotors bzw. eines Fünf-Zylinder-Reihenmotors, symmetrisch auszubilden ist besonders vorteilhaft, da die Einlassöffnungen dieser Zylinder am weitesten entfernt und gleich weit entfernt von einer gemeinsamen mittig angeordneten Gesamtansaugleitung entfernt liegen und sich Effekte wie Druckänderungen im Ansaugsystem bei diesen Zylindern am stärksten bemerkbar machen, d. h. zu Tage treten.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene, welche den innenliegenden Zylinder teilt.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder als auch die Ansaugsysteme der beiden zu den außenliegenden Zylindern benachbart angeordneten Zylinder jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Vier oder mehr Zylinder eröffnen die Möglichkeit, mindestens zwei Zylinderpaare mit zwei Zylindern zu bilden und die Ansaugsysteme der zwei Zylinder jeder Zylindergruppe zumindest im Bereich der zylinderzugehörigen Ansaugleitungen symmetrisch auszubilden.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf mit vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Dann verläuft die Mittelebene zwischen den beiden innenliegenden Zylindern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.
Die Ansaugleitungen der Zylinder führen dann unter Ausbildung eines im Zylinderkopf integrierten Einlasskrümmers zu einer Gesamtansaugleitung zusammen. Diese Maßnahme führt zu einem kleinen Volumen und einer kleinen Oberfläche des Ansaugsystems im Bereich des Einlasskrümmers mit den bereits genannten Vorteilen. Zudem vereinfacht sich die Montage und es ergeben sich Kostenvorteile.
Der Verdichter eines Abgasturboladers kann nahe an den Einlassöffnungen der Zylinder platziert werden, so dass ein gutes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Das Volumen des Leitungssystems zwischen den Einlassöffnungen der Zylinder und dem Verdichter wird weiter verringert.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ansaugleitungen außerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zylinder, deren Ansaugsysteme symmetrisch zueinander ausgebildet sind, auch hinsichtlich eines Verbrennungssystems umfassend einen Brennraum, eine Glüheinrichtung, eine Zündeinrichtung und/oder eine Einspritzeinrichtung bezüglich der entsprechenden Mittelebene symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a, 1b und 1c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
1b schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
1c schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf mitsamt Einlasskrümmer einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1a zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8a, 8b einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Der Zylinderkopf 10 verfügt über vier Zylinder 1, 2, 3, 4, die entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 in Reihe angeordnet sind. Die Zylinder 1, 2, 3, 4 werden via Ansaugsystem 8 mit Ladeluft versorgt.
Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 weist zwei Einlassöffnungen 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b zum Zuführen der Ladeluft auf, wobei zu jeder Einlassöffnung 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b eine Ansaugleitung 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ führt. Die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 führen unter Ausbildung einer Sammelstelle 7a und unter Ausbildung eines Einlasskrümmers 8a, 8b zu einer Gesamtansaugleitung 7 zusammen, wobei die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 außerhalb des Zylinderkopfes 10 jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zusammenführen bevor diese Teilansaugleitungen 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammenführen. Folglich setzt sich der in 1a dargestellte Einlasskrümmer 8a, 8b aus einem externen Einlasskrümmer 8a und einem internen Einlasskrümmer 8b zusammen. Vorliegend führen eine Ansaugleitung 5 ₂ des zweiten Zylinders 2 und eine Ansaugleitung 5 ₃ des dritten Zylinders 3 bereits im Zylinderkopf 10 zusammen.
Die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 bilden jeweils ein Zylinderpaar umfassend zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 und zwar in der Art, dass die Ansaugsysteme der zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 eines Paares symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene 9, die senkrecht auf der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 steht und eine die zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 10 verbindende virtuelle Wegstrecke teilt.
D. h. sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 sind jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet und dies bezüglich derselben Mittelebene 9, welche vorliegend auch die Gesamtansaugleitung 7 teilt.
Darüber hinaus sind die zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 jedes Paares auch hinsichtlich des Verbrennungssystems symmetrisch zueinander ausgebildet und zwar vorliegend hinsichtlich der Zündeinrichtung 1d, 2d, 3d, 4d und der Einspritzeinrichtung 1c, 2c, 3c, 4c. Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 ist mit einer zentral angeordneten Einspritzdüse 1c, 2c, 3c, 4c als Einspritzeinrichtung 1c, 2c, 3c, 4c und einer als Zündeinrichtung 1d, 2d, 3d, 4d dienenden Zündkerze 1d, 2d, 3d, 4d ausgestattet, die für jedes Zylinderpaar bezüglich der Mittelebene 9 jeweils spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
Die Gesamtansaugleitung 7 hat einen Querschnitt, der in Strömungsrichtung keine sprunghafte Veränderung aufweist. Insbesondere weist das Ansaugsystem 8, 8a, 8b kein Plenum auf.
Der Einlasskrümmer 8a weist hingegen in einem Übergangsbereich 11 von der Gesamtansaugleitung 7 zur Sammelstelle 7a hin eine runde Innenwandung 11a auf. Die runde Innenwandung 11a dient der Strömungsführung und wirkt damit einem Abreißen der Strömung von der Innenwandung 11a des Einlasskrümmers 8a entgegen. Die im Übergangsbereich 11 vorgesehene runde Innenwandung 11a weist einen vergleichsweise großen Krümmungsradius R₁ auf.
Der Einlasskrümmer 8a weist zudem im Übergangsbereich 11 außenwandig einen spitzen Winkel α ≤ 90° auf, den eine stromaufwärts des Übergangsbereichs 11 von außen an die Gesamtansaugleitung 7 angelegte erste Ebene A mit einer stromabwärts des Übergangsbereichs 11 von außen an den Einlasskrümmer 8a angelegten zweiten Ebene B ausbildet. Die erste Ebene A und die zweite Ebene B verlaufen parallel zu den Längsachsen der Zylinder. Der spitze Winkel α gestattet eine druckverlustfreie Versorgung der außenliegenden Zylinder 1, 4 der Vierzylinder-Brennkraftmaschine mit Ladeluft unter Ausbildung nur weniger bzw. Vermeidung von Strömungsturbulenzen. Der große Krümmungsradius R₁ wirkt dabei unterstützend.
1b zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8a, 8b einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform führen die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 10 jeweils zu einer zylinderzugehörigen Teilansaugleitung 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ zusammen bevor diese Teilansaugleitungen 6 ₁, 6 ₂, 6 ₃, 6 ₄ dann außerhalb des Zylinderkopfes 10 zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammenführen. Der in 1b dargestellte Einlasskrümmer 8a, 8b setzt sich ebenfalls aus einem externen Einlasskrümmer 8a und einem internen Einlasskrümmer 8b zusammen.
1c zeigt schematisch und teilweise geschnitten den Zylinderkopf 10 mitsamt Einlasskrümmer 8b einer dritten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform führen die Ansaugleitungen 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄ der Zylinder 1, 2, 3, 4 innerhalb des Zylinderkopfes 10 zu der Gesamtansaugleitung 7 zusammen. Der in 1c dargestellte Einlasskrümmer 8b ist daher ein interner Einlasskrümmer 8b.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
1a: Einlassöffnung des ersten Zylinders
1b: Einlassöffnung des ersten Zylinders
1c: Einspritzdüse des ersten Zylinders, Einspritzeinrichtung
1d: Zündkerze des ersten Zylinders, Zündeinrichtung
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder
2a: Einlassöffnung des zweiten Zylinders
2b: Einlassöffnung des zweiten Zylinders
2c: Einspritzdüse des zweiten Zylinders, Einspritzeinrichtung
2d: Zündkerze des zweiten Zylinders, Zündeinrichtung
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder
3a: Einlassöffnung des dritten Zylinders
3b: Einlassöffnung des dritten Zylinders
3c: Einspritzdüse des dritten Zylinders, Einspritzeinrichtung
3d: Zündkerze des dritten Zylinders, Zündeinrichtung
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
4a: Einlassöffnung des vierten Zylinders
4b: Einlassöffnung des vierten Zylinders
4c: Einspritzdüse des vierten Zylinders, Einspritzeinrichtung
4d: Zündkerze des vierten Zylinders, Zündeinrichtung
5₁: Ansaugleitung des ersten Zylinders
5₂: Ansaugleitung des zweiten Zylinders
5₃: Ansaugleitung des dritten Zylinders
5₄: Ansaugleitung des vierten Zylinders
6₁: Teilansaugleitung des ersten Zylinders
6₂: Teilansaugleitung des zweiten Zylinders
6₃: Teilansaugleitung des dritten Zylinders
6₄: Teilansaugleitung des vierten Zylinders
7: Gesamtansaugleitung
7a: Sammelstelle
8: Ansaugsystem
8a: externes Ansaugsystem, externer Einlasskrümmer
8b: internes Ansaugsystem, interner Einlasskrümmer
9: Mittelebene
10: Zylinderkopf
10a: Längsachse des Zylinderkopfes
11: Übergangsbereich
11a: Innenwandung
A: erste Ebene
B: zweite Ebene
α: Winkel
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Frischluftmasse
R₁: Krümmungsradius der Innenwandung im Übergangsbereich
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) mit einem entlang einer Längsachse des Zylinders verschiebbaren Kolben, die mindestens drei Einlassöffnungen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft in den mindestens einen Zylinder (1, 2, 3, 4) via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist, wobei – zu jeder Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) eine Ansaugleitung (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) führt, und – die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) unter Ausbildung einer Sammelstelle (7a) und eines Einlasskrümmers (8a, 8b) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gesamtansaugleitung (7) einen Querschnitt hat, der in Strömungsrichtung keine sprunghafte Veränderung aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (8, 8a, 8b) kein Plenum aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf (10) mindestens zwei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordnete Zylinder (1, 2, 3, 4) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf (10) mindestens drei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordnete Zylinder (1, 2, 3, 4) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) eine Einlassöffnung (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zwei Einlassöffnungen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (8, 8a, 8b) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskrümmer (8a, 8b) in einem Übergangsbereich (11) von der Gesamtansaugleitung (7) hin zur Sammelstelle (7a) eine runde Innenwandung (11a) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Übergangsbereich (11) vorgesehene runde Innenwandung (11a) zumindest abschnittsweise einen Krümmungsradius R₁ aufweist mit R₁ ≥ 15mm.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: R₁ ≥ 20mm.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: R₁ ≥ 25mm.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: R₁ ≥ 30mm.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskrümmer (8a, 8b) im Übergangsbereich (11) außenwandig einen spitzen Winkel α ≤ 90° aufweist, den eine stromaufwärts des Übergangsbereichs (11) von außen an die Gesamtansaugleitung (7) angelegte erste Ebene A mit einer stromabwärts des Übergangsbereichs (11) von außen an den Einlasskrümmer (8a, 8b) angelegten zweiten Ebene B ausbildet, wobei die erste Ebene A und die zweite Ebene B parallel zur Längsachse des mindestens einen Zylinders (1, 2, 3, 4) verlaufen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens drei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) symmetrisch ausgebildet sind und zwar bezüglich einer Mittelebene (9), die senkrecht auf der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) steht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit drei entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) symmetrisch ausgebildet sind bezüglich einer Mittelebene (9), welche den innenliegenden Zylinder (2, 3) teilt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit mindestens vier entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) als auch die Ansaugsysteme der beiden zu den außenliegenden Zylindern (1, 4) benachbart angeordneten Zylinder (2, 3) jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 mit mindestens einem Zylinderkopf (10) mit vier entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (10) in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ansaugsysteme der beiden außenliegenden Zylinder (1, 4) als auch die Ansaugsysteme der beiden innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes (10) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugleitungen (5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄) außerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes (10) zu einer Gesamtansaugleitung (7) zusammenführen.