DE3600408C2

DE3600408C2 -

Info

Publication number: DE3600408C2
Application number: DE3600408A
Authority: DE
Inventors: Richard Van Dipl.-Ing. Basshuysen (Fh), 7100 Biberach, De; Otto Dipl.-Ing. 7107 Nordheim De Stulle; Hans Peter Dipl.-Ing. 7100 Heilbronn De Staudt; Max Dipl.-Ing. Ruf (Fh), 7107 Obereisesheim, De; Erwin Dipl.-Ing. 7101 Oedheim De Korostenski
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1986-01-09
Filing date: 1986-01-09
Publication date: 1992-05-21
Also published as: DE3600408A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolben-Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art (DE 32 06 199 A1) sind die Steuerzeiten der einzelnen Einlaßventile durch entsprechende Formgebung der diese Ventile betätigenden Nocken für unterschiedliche Drehzahlbereiche optimiert und es wird durch drehzahlabhängige Steuerung der in den einzelnen Saugsystemen angeordneten Drosselklappen dafür gesorgt, daß für den jeweils vorliegenden Drehzahlbereich nur das Saugsystem desjenigen Einlaßventils freigegeben wird, dessen Steuerzeiten für diesen Drehzahlbereich optimiert sind. Damit soll die gleiche Wirkung erreicht werden wie bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Steuerzeiten der Einlaßventile durch verstellbare Nocken drehzahlabhängig verändert werden können. Da jedoch in jedem Betriebsbereich nur ein Saugsystem voll wirksam ist, wird die Leistungssteigerung, die bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlaßventilen angestrebt wird, nicht erreicht.

Aus der DE 30 44 292 A1 ist es bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder und eigenen Saugsystemen eine Einspritzdüse nur in dem einen Saugsystem anzuordnen und das zweite Saugsystem erst im höheren Drehzahl- oder Lastbereich zuzuschalten. Die Leistungsregelung erfolgt jedoch im gesamten Drehzahl- und Lastbereich durch eine allen Saugsystemen gemeinsame Hauptdrosselklappe. Da bei Teillast das zweite Saugsystem abgeschaltet ist, strömt die Verbrennungsluft nur durch das erste Saugsystem, in welches der Kraftstoff eingespritzt wird, wodurch aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine gute Gemischaufbereitung erzielt wird. Durch das Zuschalten des zweiten Saugsystems im höheren Drehzahl- oder Lastbereich wird mit der dadurch erzielten Verbesserung des Füllungsgrades eine entsprechende Leistungssteigerung erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß eine optimale Füllung und Ladungsbewegung in jedem Zylinder für jeden Betriebsbereich erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag die Abmessungen der einzelnen Saugsysteme entsprechend den Anforderungen für unterschiedliche Drehzahlbereiche ausgewählt sind und gleichzeitig die Steuerzeiten der Einlaßventile unabhängig voneinander in der beanspruchten Weise verändert werden, läßt sich bereits im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment erreichen, das mit steigender Drehzahl ständig ansteigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag läßt sich die Füllungs- und Ladungsbewegung in weiten Grenzen variieren. So ist es beispielsweise möglich, das Saugsystem des in Umfangsrichtung des Zylinders ersten Einlaßventils zur Erzeugung eines Dralls im Zylinder auszubilden, also beispielsweise eine tangentiale Einströmung in den Zylinder vorzusehen. Da im unteren Drehzahlbereich und Lastbereich nur die Drosselklappe in diesem ersten Ansaugsystem geöffnet und gleichzeitig die Steuerzeit des ersten Einlaßventils kurz zu bemessen ist, wird einerseits die für eine gute Gemischbildung im unteren Drehzahlbereich erwünschte Drallbewegung und andererseits mit hoher Strömungsge schwindigkeit ein hohes Drehmoment bei niedrigem Kraft stoffverbrauch erreicht wird. Mit zunehmender Drehzahl ist es erwünscht, den leistungsmindernden Drall zu verringern und gleichzeitig die Füllung zu erhöhen, was dadurch erreicht werden kann, daß nun die dem zweiten (mittleren) Einlaßventil zugeordnete Drosselklappe geöffnet und gleichzeitig wiederum zur Erhöhung der Füllung, die Steuerzeit des ersten Einlaßventils verlängert wird. Mit dem Öffnen der Drosselklappe des zweiten Saugsystems wird durch die über das zweite Einlaßventil einströmende Ladung die Füllung vergrößert und der Drall vermindert. Bei Vollast wird mit weiter zunehmender Drehzahl die dem dritten Einlaßventil zugeordnete Drosselklappe geöffnet und gleichzeitig werden die Steuerzeiten des ersten und des zweiten Einlaßventils auf ihren Höchstwert verlängert, so daß die maximale Füllung erreicht wird. Durch die durch das dritte Einlaßventil einströmende Ladung wird der Drall im Zylinder weitgehend zum Erliegen gebracht.

Zur Vereinfachung des Ansaugsystems einer Mehrzylinder- Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, die Saugsysteme miteinander zu verbinden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. So können die Saugsysteme der ersten Einlaßventile, der zweiten Einlaßventile und der dritten Einlaßventile aller Zylinder jeweils von einer gemeinsamen Luftsammelkammer ausgehen. Die Luftsammelkammer, von der die Saugsysteme der ersten Einlaßventile ausgehen, wird dabei entsprechend der geringeren Ladung im Volumen klein gehalten, um ein möglichst optimales Instationärverhalten bei kleiner Last und geringen Drehzahlen zu erreichen, während die Luftsammelkammern, von denen die Saugsysteme der zweiten und der dritten Einlaßventile ausgehen, entsprechend dem größeren Durchsatz ein größeres Volumen haben. Alternativ können auch die Saugsysteme der ersten und der zweiten Einlaßventile aller Zylinder sowie die Saugsysteme der dritten Einlaßventile aller Zylinder jeweils von einer gemeinsamen Luftsammelkammer ausgehen, so daß insgesamt nur zwei Luftsammelkammern vorgesehen werden müssen. Dadurch, daß die Saugsysteme des ersten und des zweiten Einlaßventils jedes Zylinders von eigenen Drosselklappen beherrscht werden, wird durch die Anordnung einer gemeinsamen Luftsammelkammer keine gegenseitige Beeinflussung stattfinden.

Bei einer Brennkraftmaschine mit getrennter Saugrohreinspritzung in die einzelnen Saugsysteme, bei der die Ladung im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich nur durch das erste Einlaßventil, im mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereich zusätzlich durch das zweite Einlaßventil und bei Vollast auch durch das dritte Einlaßventil zugeführt wird, ist es zweckmäßig, die Einspritzdüse im ersten Saugsystem nahe dem ersten Einlaßventil derart anzuordnen, daß die Einspritzung in Richtung des Dralls der einströmenden Luft erfolgt, und zwar ohne Wandbenetzung, womit der Kaltstart und die Abgaswerte verbessert werden. Die Einspritzdüsen in den zweiten und dritten Saugsystemen sollten dagegen in einem größeren Abstand von dem zweiten bzw. dritten Einlaßventil angeordnet werden, um eine bessere Füllung durch Ausnutzung der Verdunstungskälte des Kraftstoffes zu erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Zylinderkopf und das Ansaugsystem einer Vier zylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine;

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Dar stellung des Zylinderkopfes eines Zylinders mit Anordnung der Einspritzdüsen in den Einzelsaugsystemen;

Fig. 3 ist ein Diagramm, aus dem der Drehmoment verlauf über der Drehzahl dargestellt ist, der durch das aufeinanderfolgende Zuschalten der Einzelsaugsysteme in der Ausführung ge mäß Fig. 1 erreicht wird, und

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispieles.

In Fig. 1 sind mit I, II, III und IV die im Zylinder kopf angeordneten Brennräume der vier Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt. Jeder Brennraum weist drei Einlaßventile 1, 2 und 3 sowie zwei Auslaß ventile A auf. Jedes der Einlaßventile 1, 2, 3 jedes Zylinders ist durch eine eigene Betätigungseinrichtung im Öffnungssinn betätigbar, beispielsweise durch einen Nocken oder durch elektrische oder hydraulische Mittel. Die Betätigungseinrichtungen sind in bekannter Weise so ausgebildet, daß die Steuerzeit, d.h. die Öffnungsdauer, und die Ventilerhebung von mindestens zwei der drei Einlaßventile jedes Zylinders unabhängig voneinander in Abhängigkeit von Betriebszuständen, ins besondere in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brenn kraftmaschine, kontinuierlich oder stufenweise veränderbar ist.

Für jedes Einlaßventil 1, 2, 3 jedes Zylinders ist ein eigenes Saugsystem mit einer Drosselklappe vorgesehen. Die Saugsysteme der ersten Ventile 1 sind mit 4 be zeichnet und enthalten eine willkürlich, z.B. durch ein Gaspedal betätigbare Drosselklappe 5. Die Saug systeme der Ventile 2 sind mit 6 bezeichnet und ent halten jeweils eine Drosselklappe 7, während die Saug systeme der Ventile 3 mit 8 bezeichnet sind und je weils eine Drosselklappe 9 enthalten. Die Drosselklappen 7 und 9 der Saugsysteme 6, 8 der zweiten und dritten Ventile 2 bzw. 3 werden über ein Kennfeld in Abhängig keit von der Drehzahl und/oder der Last der Brenn kraftmaschine gesteuert.

Die Saugsysteme 4 der ersten Ventile 1 sind zur Er zielung eines starken Dralls und eines hohen Dreh moments bei niedriger Drehzahl ausgelegt und sie münden daher, wie ersichtlich, im wesentlichen tangential in die Brennräume und haben außerdem eine verhältnis mäßig große Länge, jedoch einen kleinen Durchmesser, wodurch die erwünschte Drehmomentcharakteristik er reicht wird.

Die Saugsysteme 6 der zweiten oder mittleren Einlaß ventile 2 sind für hohes Drehmoment im mittleren Dreh zahlbereich ausgelegt, d.h., ihr Durchmesser ist größer und ihre Länge ist geringer als diejenigen der ersten Saugsysteme 4.

Die Saugsysteme 8 der dritten Einlaßventile 3 schließ lich sind so ausgelegt, daß bei hoher Last und Dreh zahl ein starker Nachladeeffekt erzielt wird, was durch einen großen Durchmesser und eine geringe Länge, ver glichen mit den Durchmessern und Längen der beiden ersten Saugsysteme 4, 6, erreicht wird. Im unteren Drehzahlbereich sind die Drosselklappen 7 und 9 ge schlossen und es werden nur die Drosselklappen 5 der ersten Saugsysteme 4 geöffnet, so daß die Zylinder nur durch die Einlaßventile 1 Ladung erhalten. Da diese Ladungsmenge bei niedrigen Drehzahlen verhältnis mäßig gering ist, ist der Ventildurchmesser der ersten Einlaßventile 1 verhältnismäßig klein. Die Steuerzeiten der ersten Einlaßventile sind in diesem Drehzahlbe reich verhältnismäßig kurz, ihr Hub jedoch verhältnis mäßig groß, um größtmögliche Füllung zu erreichen. Durch das tangentiale Einströmen durch die Einlaß ventile 1 wird in den Brennräumen ein Drall erzeugt, der für den Brennraum I durch den Pfeil 10 dargestellt ist. Dieser Drall sorgt trotz der relativ geringen Einströmgeschwindigkeit der Ladung für eine gute Aufbereitung des Gemisches. Ein solcher Drall ist bekanntlich bei höheren Drehzahlen störend, da er mit einem Leistungsverlust verbunden ist. Bei höheren Dreh zahlen werden nun nacheinander die Drosselklappen 7 und 9 der zweiten und dritten Saugsysteme 6, 8 geöffnet. Durch Öffnen der Drosselklappen 7 wird einerseits der Gesamtansaugquerschnitt vergrößert und andererseits wird durch das im wesentlichen radiale Einströmen der Ladung, das für den Brennraum I durch den Pfeil 11 dar gestellt ist, ein Abbremsen des Dralles 10 erreicht. Mit dem Öffnen der Drosselklappe 7 werden gleichzeitig die Steuerzeiten der ersten Einlaßventile 1 verlängert, so daß auch durch die Ansaugsysteme 4 eine größere Ladungsmenge angesaugt werden kann.

Bei hoher Drehzahl und Last, insbesondere bei Vollast, werden nun auch die Drosselklappen 9 der dritten Saug systeme 8 geöffnet und es werden gleichzeitig die Steuerzeiten der ersten und zweiten Einlaßventile 1 und 2 auf ihren Höchstwert verlängert, so daß nun der maximale Einlaßquerschnitt zur Erzielung höchster Leistung zur Verfügung steht. Da die dritten Saug systeme 8 wiederum im wesentlichen tangential in die einzelnen Brennräume einmünden, wird der durch die dritten Einlaßventile 3 einströmenden Ladung ein Drall erteilt, der im Brennraum I durch den Pfeil 12 ver anschaulicht ist. Dieser Drall ist dem Drall 10 der durch die ersten Ansaugsysteme 4 eintretenden Ladung entgegengesetzt, so daß durch entsprechende Bemessung und Anordnung der dritten Saugsysteme 8 der Drall in den Zylindern zum Erliegen gebracht werden kann.

Entsprechend dem gewünschten Ladungsdurchsatz sind die Durchmesser der zweiten Einlaßventile 2 größer als die jenigen der ersten Einlaßventile 1, und die Durchmesser der dritten Einlaßventile 3 sind größer als diejenigen der zweiten Einlaßventile 2.

Die ersten Saugsysteme 4 aller Zylinder gehen von einer ersten Luftsammelkammer 14 aus, die ein verhältnis mäßig kleines Volumen hat, um ein möglichst optimales Instationärverhalten bei kleinen Lastzuständen und niedrigen Drehzahlen zu erreichen.

Die zweiten Saugsysteme 6 aller Zylinder gehen von einer zweiten Luftsammelkammer 15 aus, deren Volumen dem hohen Gasdurchsatz angepaßt ist. Die Saugsysteme 6 schließen mit einem verhältnismäßig großen Radius an die Luft sammelkammer 15 an, um die Strömungsverluste gering zu halten.

Die dritten Saugsysteme 8 aller Brennräume sind mit einer dritten Luftsammelkammer 16 verbunden, die ent sprechend dem hohen Gasdurchsatz ein noch größeres Volumen hat als die zweite Luftsammelkammer 15. Außerdem erweitern sich die Saugsysteme 8 zu der Luftsammelkammer 16 hin trichterförmig, um den Nachladeeffekt zu verstärken.

Die Luftsammelkammern 14, 15 und 16 gehen von einem Sammelsaugrohr 17 aus, das über ein Luftfilter 18 mit der Atmosphäre in Verbindung steht und in dem eine nicht dargestellte Luftmassen-Meßeinrichtung für die Steuerung einer Kraftstoff-Einspritzanlage angeordnet ist.

In jedem Saugsystem 4, 6, 8 jedes Zylinders ist eine eigene Einspritzdüse angeordnet, die in Fig. 2 mit 20, 21 und 22 bezeichnet ist. Die Einspritzdüse 20 im ersten Saugsystem 4 ist nahe des ersten Einlaß ventils 1 derart angeordnet, daß sie möglichst ohne Wandbenetzung in Richtung des in dem Saugsystem 4 herrschenden Dralls der einströmenden Luft einspritzt. Dadurch wird der Kaltstart verbessert und der Anteil der schädlichen Abgasbestandteile verringert. Die im zweiten Saugsystem 6 angeordnete Einspritzdüse 21 ist weiter weg von dem Einlaßventil 2 derart ange ordnet, daß sie zum Teil gegen die Wand des Saug systemes 6 spritzt. Da die Einspritzdüse 21 erst bei warmem Motor und mittlerer Last zum Einsatz kommt, wird die Verdunstungskälte des durch die Düse 21 eingespritzten Kraftstoffes zur Erhöhung der Füllung ausgenutzt. Die Einspritzdüse 22 im dritten Saugsystem 8 ist verhältnismäßig weit, gegebenenfalls stromauf der Drosselklappe 9 (Fig. 1), von dem dritten Einlaß ventil 3 derart angeordnet, daß sie in Richtung der durch das Saugsystem 8 strömenden Luft einspritzt, wobei neben der Füllungsverbesserung durch die Ver dunstungskälte auch noch eine Füllungsverbesserung durch die Injektorwirkung erreicht wird. Die Ein spritzdüse 22 wird normalerweise erst bei Vollast und hoher Drehzahl aktiviert.

In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, in dem der effektive Mitteldruck P_me in Abhängigkeit von der Drehzahl n dargestellt ist. Hierbei ist mit B der Drehmomentverlauf dargestellt, der erreicht wird, wenn den Zylindern nur durch die ersten Saugsysteme 4 Ladung zugeführt wird. Die Kurve C stellt den Dreh momentverlauf dar, der durch die zweiten Saugsysteme 6 erreicht wird, und die Kurve D stellt den Drehmoment verlauf dar, der durch die dritten Saugsysteme 8 erreicht wird. Durch das aufeinanderfolgende Öffnen der ersten, zweiten und dritten Drosselklappen 5, 7 und 9 wird der gestrichelt eingezeichnete Drehmoment verlauf E erreicht. Es ist ersichtlich, daß, ver glichen mit der Einzelwirkung der Saugrohrsysteme 4, 6 und 8, ein hohes Drehmoment sowohl bei nied riger als auch bei hoher Drehzahl erzielt wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß hier die ersten und die zweiten Saug systeme 4 und 6 an eine gemeinsame Luftsammelkammer 23 angeschlossen sind, deren Volumen naturgemäß entsprechend dem Gasdurchsatz für beide Saugsysteme 4 und 6 ausge legt werden muß. Die Einspritzdüsen für die beiden ersten Saugsysteme 4 und 6 werden dabei vorzugsweise beide nahe ihrer Einlaßventile 1 und 2 angeordnet, wie dies in Fig. 2 für die Einspritzdüse 20 dargestellt ist.

Auch bei dieser Ausführung sind die Drosselklappen 5 vom Gaspedal gesteuert, während die Drosselklappen 7 und 9 kennfeldgesteuert sind.

Claims

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit drei Einlaßventilen pro Zylinder, die in Umfangsrichtung des Brennraumes im Zylinderkopf hintereinander angeordnet sind und deren jeweils ein eigenes Saugsystem mit einer Drosselklappe zugeordnet ist und die jeweils durch eine eigene Betätigungseinrichtung im Öffnungssinn betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugsystem (4) des ersten Einlaßventils (1) eine größere Länge und einen kleineren Durchmesser hat als das Saugsystem (6) des zweiten (mittleren) Einlaßventils (2) und dieses Saugsystem (6) wiederum eine größere Länge und einen kleineren Durchmesser als das Saugsystem (8) des dritten Einlaßventils (3) hat, und daß die Steuerzeiten der drei Einlaßventile (1, 2, 3) unabhängig voneinander drehzahl- und lastabhängig veränderbar sind, wobei im unteren Drehzahl- und Lastbereich nur die Drosselklappe (5) des ersten Einlaßventils (1) geöffnet und eine kurze Steuerzeit eingestellt wird, dann ab einer bestimmten ersten Drehzahl und Last die Steuerzeit des ersten Einlaßventils (1) verlängert und die Drosselklappe (7) des zweiten Ventils (2) geöffnet und eine Steuerzeit des zweiten Einlaßventils (2) eingestellt wird, die länger ist als die Steuerzeit des ersten Einlaßventils (1), und ab einer bestimmten zweiten Drehzahl und Last die Drosselklappe (9) des dritten Einlaßventils (3) zunehmend geöffnet wird und die Steuerzeiten des ersten und des zweiten Einlaßventils (1, 2) auf ihren Höchstwert eingestellt werden.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugsystem (4) des ersten Einlaßventils (1) zur Erzeugung eines starken Dralls bei niedriger Drehzahl ausgebildet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugsysteme (4) der ersten Einlaßventile (1) von einer ersten gemeinsamen Luftsammelkammer (14), die Saugsysteme (6) der zweiten Einlaßventile (2) von einer zweiten gemeinsamen Luftsammelkammer (15) und die Saugsysteme (8) der dritten Einlaßventile (3) von einer dritten gemeinsamen Luftsammelkammer (16) ausgehen.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugsysteme (4 und 6) der ersten und der zweiten Einlaßventile (1, 2) aller Zylinder von einer ersten gemeinsamen Luftsammelkammer (23) und die Saugsysteme (8) der dritten Einlaßventile (3) aller Zylinder von einer zweiten gemeinsamen Luftsammelkammer (16) ausgehen.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Kraftstoffeinspritzung in die einzelnen Saugsysteme, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (20) im Saugsystem (4) des ersten Einlaßventils (1) nahe desselben und die Einspritzdüsen (21, 22) in den Saugsystemen (6, 8) des zweiten und des dritten Einlaßventils (2, 3) in einem zunehmend größeren Abstand von den zugehörigen Einlaßventilen angeordnet sind.