DE3906369A1

DE3906369A1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: DE3906369A1
Application number: DE3906369A
Authority: DE
Inventors: Alfio Puglisi; Bruno Andreatta
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1989-09-14
Also published as: IT1219059B; ES2015381A6; IT8867156A0; FR2628146A1

Abstract

The aim of the invention is to provide an internal combustion engine, particularly a high-speed diesel engine with direct injection, in which the swirl of the air drawn in can be varied as a function of the operating conditions of the engine. The solution consists essentially in that the inlet spiral (11) which connects the intake opening (7) of a combustion chamber (5) to the intake duct (10) is assigned an additional channel (13) in which a flexible blade (14) is displaceably arranged. One end (20) of the blade (14) projects from the additional channel (13) into a connecting zone (15) between the inlet spiral (11) and the intake duct (10), allowing the cross-section of passage of the intake duct (10) to be throttled. The opposite end (19) of the blade (14) is connected to an actuating element (21) which is actuated by a control unit (22) responding to sensors (23). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere ei nen schnellaufenden Dieselmotor mit direkter Einspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine, in particular egg high-speed diesel engine with direct injection the preamble of claim 1.

Es sind Verbrennungsmotoren dieser Bauart bekannt, bei denen die Ansaugkanäle Mittel zur Verwirbelung der zugeführten Luft haben, wobei das Maß der Verwirbelung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geregelt werden sollte.Internal combustion engines of this type are known in which the intake channels means for swirling the supplied air have, the degree of turbulence depending on the Engine speed should be regulated.

Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren mit direk ter Einspritzung und kleinem Hubraum ist es zur Erzielung eines homogenen Gemisches aus Luft und Brennstoff sehr wesentlich, die Verbrennungsluft mit einem genauen Verwirbelungskoeffizien ten zuzuführen. Um dieses Ziel zu erreichen, sind zahlreiche Versuche gemacht worden, unter ihnen die spiralförmige Ausbil dung der Ansaugkanäle. Diese Systeme führen zu einem Verwirbe lungskoeffizienten, der bei den unterschiedlichen Motordrehzah len allmählich die Verbrennungsbedingungen optimiert. Mit sol chen Systemen werden mithin Verwirbelungskoeffizienten erzielt, die nur für einen bestimmten, sehr eng begrenzten Betriebsbe reich des Motors ideal sind, während bei einer Veränderung der Motordrehzahlen außerhalb dieses Bereiches die Verwirbelung nicht optimal an die Betriebsbedingungen des Motors angepaßt sind. In internal combustion engines, in particular diesel engines with direct ter injection and small displacement, it is to achieve a homogeneous mixture of air and fuel very essential, the combustion air with a precise swirl coefficient feed. There are numerous to achieve this goal Attempts have been made, including the spiral training of the intake ducts. These systems lead to a mess coefficient, which at the different engine speed len gradually optimized the combustion conditions. With sol systems, swirl coefficients are achieved that only for a certain, very limited operating area range of the engine are ideal while changing the Engine speeds outside of this range cause turbulence not optimally adapted to the operating conditions of the engine are.

Darüber hinaus sind Maßnahmen bekannt, in dieser Hinsicht Ver besserungen zu erzielen, beispielsweise mit Hilfe eines sekundä ren Druckluftstrahls, der tangential zur Einlaßspirale einge spritzt wird, um bei einer Veränderung der Betriebsbedingungen des Motors die Verwirbelung der angesaugten Luft zu ändern. Bei einer anderen Lösung sind im Ansaugkanal aufblasbare Körper vor gesehen, die dessen Geometrie in Abhängigkeit von den Betriebs bedingungen des Motors ändern. Alle diese Maßnahmen können je doch nicht das Problem vollständig lösen, für jede Motordreh zahl die exakte Verwirbelung der angesaugten Luft herzustellen, da beispielsweise das System mit der Zuführung von Zusatzluft verhältnismäßig enge Regelbereiche hat und eine Druckluftquelle erfordert, während die Lösung mit den aufblasbaren Körpern des halb nachteilig ist, weil die exakte Steuerung der Geometrie des Ansaugkanals nur schwierig durchzuführen ist.In addition, measures are known in this regard Ver to achieve improvements, for example with the help of a secondary ren compressed air jet, the tangential to the inlet spiral is injected to change the operating conditions of the engine to change the swirl of the intake air. At Another solution is inflatable bodies in the intake duct seen its geometry depending on the operating change engine conditions. All of these measures can ever but not completely solve the problem, for every engine rotation to create the exact swirling of the intake air, because, for example, the system with the supply of additional air has relatively narrow control ranges and a compressed air source requires while the solution with the inflatable bodies of the is half disadvantage because the precise control of the geometry of the intake duct is difficult to carry out.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbren nungsmotor der angegebenen Gattung zur Verfügung zu stellen, bei dem eine starke Verwirbelung der zugeführten Luft erreicht und die Verwirbelungskennzahl bei den verschiedenen Drehzahlen und Motorlasten auf den jeweils optimalen Wert gebracht werden kann.The invention is therefore based on the object of burning to provide a motor of the specified type, where a strong swirling of the supplied air is achieved and the swirl index at the different speeds and engine loads are brought to the optimum value in each case can.

Bei einem Verbrennungsmotor der geschilderten Bauart wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentan spruchs 1 gelöst.In an internal combustion engine of the type described, this is Task according to the invention by the character of the patent spell 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü chen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt in ih rer einzigen Figur eine schematische, teilweise geschnittene Draufsicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Verbrennungsmo tors. Advantageous further developments result from the dependent claims Chen and from the following description of an example game, which is shown in the drawing. This shows in ih The single figure is a schematic, partially cut Top view of a combustion engine designed according to the invention tors.

Von dem Verbrennungsmotor 1 beliebiger Bauart, im Ausführungs beispiel ein schnellaufender Dieselmotor mit direkter Einsprit zung, sind zur Vereinfachung lediglich ein Teil eines Gehäuses 2 sowie ein Teil eines Zylinderkopfes 3 angedeutet, wobei letz terer teilweise geschnitten ist. Das Gehäuse 2 hat wenigstens einen Zylinder 4, in dem ein Brennraum 5 ausgebildet ist, der oben durch den Zylinderkopf 3 abgeschlossen ist. Der Brennraum 5 hat eine Ansaugöffnung 7 und eine Auslaßöffnung 8, die durch nicht gezeigte Ventile geschlossen werden können, welche in Boh rungen 9 verschiebbar gelagert sind, die im Bereich der Ansaug öffnung 7 bzw. der Auslaßöffnung 8 in den Zylinderkopf 3 einge arbeitet sind (aus Gründen der Vereinfachung ist lediglich die Bohrung 9 für das Ventil der Ansaugöffnung 7 dargestellt).Of the internal combustion engine 1 of any type, for example, a high-speed diesel engine with direct injection, only a part of a housing 2 and a part of a cylinder head 3 are indicated for simplification, the latter being partially cut. The housing 2 has at least one cylinder 4 , in which a combustion chamber 5 is formed, which is closed at the top by the cylinder head 3 . The combustion chamber 5 has a suction opening 7 and an outlet opening 8 , which can be closed by valves, not shown, which are displaceably mounted in Boh stanchions 9 , which are in the area of the suction opening 7 or the outlet opening 8 into the cylinder head 3 ( for reasons of simplification, only the bore 9 for the valve of the suction opening 7 is shown).

Der Motor 1 kann mehrere Brennräume 5 der geschilderten Bauart haben. Für jeden Brennraum 5 hat der Zylinderkopf 3 einen nicht gezeigten Auslaßkanal bekannter Bauart sowie einen Ansaugkanal 10, der tangential in eine Einlaßspirale 11 mündet, die eben falls bekannt und im Bereich über der Ansaugöffnung 7 in den Zylinderkopf 3 eingearbeitet ist, so daß sie den Ansaugkanal 10 mit dieser Ansaugöffnung 7 verbindet. Da der Ansaugkanal 10 tangential in die Einlaßspirale 11 übergehen muß, hat er einen bogenförmigen Verlauf mit einem Krümmungsradius, der dem Krümmungsradius der Einlaßspirale 11 entgegengesetzt ist, so daß der angesaugte Luftstrom 12 gezwungen wird, vor dem Ein tritt in die Ansaugöffnung 7 eine im wesentlichen S-förmige Bahn zu durchlaufen.The engine 1 can have several combustion chambers 5 of the type described. For each combustion chamber 5 , the cylinder head 3 has an outlet duct of a known type, not shown, and an intake duct 10 which opens tangentially into an inlet spiral 11 , which, if known, is incorporated into the cylinder head 3 in the area above the intake opening 7 , so that it forms the intake duct 10 connects to this suction opening 7 . Since the intake duct 10 must pass tangentially into the inlet spiral 11 , it has an arcuate course with a radius of curvature that is opposite to the radius of curvature of the inlet spiral 11 , so that the sucked-in air flow 12 is forced into the intake opening 7 before entering a substantially To go through S-shaped path.

Gemäß der Erfindung ist für jeden Brennraum 5 in den Zylinder kopf 3 wenigstens ein Zusatzkanal 13 eingearbeitet, der im we sentlichen parallel zum Ansaugkanal 10 verläuft und wie dieser gekrümmt ist, so daß er tangential in die Einlaßspirale 11 mün det, und zwar im Bereich einer Verbindungszone 15 zwischen der Einlaßspirale 11 und dem Ansaugkanal 10. Der Zusatzkanal 13 hat eine Krümmung mit großem Krümmungsradius. Er ist auf der Seite einer Bogenrückenflanke 16 des Ansaugkanals 10 so eingearbei tet, daß er im wesentlichen parallel zu einer Seite einer Innen wandflanke 18 der Einlaßspirale 11 mündet.According to the invention, for each combustion chamber 5 in the cylinder head 3 at least one additional duct 13 is incorporated, which runs essentially parallel to the intake duct 10 and how it is curved, so that it detects tangentially into the inlet spiral 11 , in the region of a Connection zone 15 between the inlet spiral 11 and the intake duct 10 . The additional channel 13 has a curvature with a large radius of curvature. It is on the side of a back flank 16 of the intake duct 10 so worked that it opens substantially parallel to one side of an inner wall flank 18 of the inlet spiral 11 .

Gemäß der Erfindung ist in dem Zusatzkanal 13 eine elastisch verformbare Lamelle 14 verschiebbar angeordnet, die vorzugswei se aus Saitenstahl und/oder einem selbstschmierenden Kunststoff hergestellt ist, der den Temperaturen standhält, welche im Be trieb des Motors im Ansaugkanal 10 und in der Einlaßspirale 11 herrschen. Die Lamelle 14 ist länger als der Zusatzkanal 13, so daß sie mit ihren beiden Enden 19 und 20 aus diesem herausragt. Das Ende 19 ragt aus dem Zusatzkanal 13 im wesentlichen im Be reich der Einmündung des Ansaugkanals 10 heraus und ist hier mit Mitteln verbunden, die eine Axialverschiebung der Lamelle 14 im Zusatzkanal 13 bewirken. Diese Mittel bestehen im Ausfüh rungsbeispiel aus einem Stellglied 21 bekannter Bauart, das von einem Steuerorgan 22 in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last des Motors 1 eingestellt wird. Diese Betriebsdaten werden von einem oder mehreren Sensoren 23 erfaßt, die ebenfalls be kannt sind und daher nicht weiter beschrieben werden.According to the invention, an elastically deformable lamella 14 is slidably arranged in the additional channel 13 , which vorzugwei se is made of string steel and / or a self-lubricating plastic that withstands the temperatures that prevail in the engine's loading in the intake duct 10 and in the inlet spiral 11 . The lamella 14 is longer than the additional channel 13 , so that it protrudes from the latter with its two ends 19 and 20 . The end 19 protrudes from the additional duct 13 substantially in the area of the confluence of the intake duct 10 and is connected here with means which cause an axial displacement of the lamella 14 in the additional duct 13 . These means consist in the exemplary embodiment of an actuator 21 of a known type, which is set by a control element 22 as a function of the speed and the load of the engine 1 . These operating data are detected by one or more sensors 23 , which are also known and are therefore not described further.

Das gegenüberliegende Ende 20 der Lamelle 14 ragt hingegen in die erwähnte Verbindungszone 14 und liegt hier im wesentlichen dicht an der Innenwandflanke 18 der Einlaßspirale 11 an, wobei es im wesentlichen eine Verlängerung des Profils der Bogen rückenflanke 16 des Ansaugkanals 10 bildet. In Abhängigkeit von der Axialstellung der Lamelle 14, die von dem Steuerorgan 22 durch das Stellglied 21 bestimmt wird, ist dieses Ende 20 in der Lage, innerhalb der Verbindungszone 15 unterschiedliche Ar beitsstellungen einzunehmen, in denen die Lamelle 14 den Durch laßquerschnitt im Ansaugkanal 10 für den Luftstrom 12 unter schiedlich drosselt. Wenn die Lamelle 14 in dem Zusatzkanal 13 in Richtung des Doppelpfeiles von dem Stellglied 21 bewegt wird, kann sie entsprechend den Anforderungen den Querschnitt des Ansaugkanals 10 verändern, so daß für jeden Fall eine opti male Verbindung mit der Einlaßspirale 11 hergestellt wird und die Querschnittsveränderung genau im Bereich der Verbindungszo ne 15 erfolgt, die die kritische Zone für die Bildung des Strö mungsabschnittes ist, der den Turbulenzgrad bestimmt, den der Luftstrom 12 am Eingang in die Ansaugöffnung 7 erreichen kann.The opposite end 20 of the lamella 14 , on the other hand, protrudes into the connection zone 14 mentioned and lies here essentially close to the inner wall flank 18 of the inlet spiral 11 , wherein it essentially forms an extension of the profile of the arch back flank 16 of the intake duct 10 . Depending on the axial position of the lamella 14 , which is determined by the control member 22 by the actuator 21 , this end 20 is able to occupy different Ar beits positions within the connecting zone 15 , in which the lamella 14 the passage cross section in the intake duct 10 for throttles the airflow 12 under different. If the lamella 14 is moved in the additional channel 13 in the direction of the double arrow by the actuator 21 , it can change the cross section of the intake duct 10 according to the requirements, so that an optimal connection with the inlet spiral 11 is made for each case and the cross section change is accurate takes place in the area of the connecting zone 15 , which is the critical zone for the formation of the flow section which determines the degree of turbulence that the air flow 12 can reach at the inlet into the suction opening 7 .

Der Motor 1 gemäß der Erfindung arbeitet in der folgenden Wei se. In der Ansaugphase, d. h. bei geöffneter Ansaugöffnung 7 wird der Luftstrom 12 hauptsächlich über den Ansaugkanal 10 zu geführt, wobei ein möglicher Teil von durch den Zusatzkanal 13 strömender Luft nicht ins Gewicht fällt. Vom Ansaugkanal 10 strömt die Luft in die Einlaßspirale 11, wo sie aufgrund der Geometrie des Ansaugkanals und der Einlaßspirale in einen Drall versetzt wird und dem Profil der Einlaßspirale 11 folgt, so daß die gewünschte Verwirbelung bereits vor dem Eintritt der Lade luft über die Ansaugöffnung 7 in den Brennraum 5 erfolgt. Auf diese Weise wird der Kraftstoff, der anschließend in den Brenn raum 5 eingespritzt wird, sehr gut zerstäubt.The engine 1 according to the invention operates in the following manner. In the intake phase, ie when the intake opening 7 is open, the air flow 12 is mainly conducted via the intake duct 10 , with a possible part of air flowing through the auxiliary duct 13 not being significant. From the intake duct 10 , the air flows into the inlet spiral 11 , where it is set into a swirl due to the geometry of the intake duct and the inlet spiral and follows the profile of the inlet spiral 11 , so that the desired swirling air occurs via the suction opening 7 before the loading occurs takes place in the combustion chamber 5 . In this way, the fuel that is then injected into the combustion chamber 5 is atomized very well.

Der Grad der Verwirbelung, den der Luftstrom 12 annimmt, sobald er in die Einlaßspirale 11 eintritt, hängt von der Geschwindig keit am Eingang in die Einlaßspirale 11 ab, welche ihrerseits von der Größe und der Richtung des kleinsten Durchtrittsquer schnittes für den Luftstrom 12 abhängt. Damit wird klar, daß das mehr oder weniger weit in die Verbindungszone 15 vorstehen de Ende 20 der Lamelle 14 in Abhängigkeit von deren Axialstel lung im Zusatzkanal 13 verantwortlich ist für die Eintritts geschwindigkeit der Luft in die Einlaßspirale 11; im Mittel ist die erwähnte Eintrittsgeschwindigkeit um so größer und mehr tan gential gerichtet, je weiter das Ende 20 der Lamelle 14 aus dem Zusatzkanal 13 hervorsteht. Damit wird die Gewindigkeit der Luft in der Einlaßspirale 11 erhöht, was zu einem Verwirbelungs grad führt, der größer ist als bei einer zurückgezogenen Lamel le 14, d. h. bei einer Stellung, bei der das Ende 20 vollkommen in den Zusatzkanal 12 zurückgezogen ist. The degree of turbulence that the airflow 12 assumes as soon as it enters the inlet spiral 11 depends on the speed at the entrance to the inlet spiral 11 , which in turn depends on the size and direction of the smallest passage cross section for the airflow 12 . This makes it clear that the more or less protrude into the connecting zone 15 de end 20 of the lamella 14 depending on their axial position in the additional duct 13 is responsible for the entry speed of the air into the inlet spiral 11 ; on average, the entry speed mentioned is directed greater and more tan gential, the further the end 20 of the lamella 14 protrudes from the additional channel 13 . So that the threadiness of the air in the inlet spiral 11 is increased, which leads to a degree of turbulence, which is greater than in a retracted lamella le 14 , ie in a position in which the end 20 is completely retracted into the additional channel 12 .

Damit kann das Steuerorgan 22 in Abhängigkeit von den Betriebs bedingungen des Motors (z. B. Drehzahl der Motorwelle), die vom Sensor oder den Sensoren 23 erfaßt werden, das Stellglied 21 so betätigen, daß jedesmal die Lamelle 14 eine Axialstellung ein nimmt, bei der ihr Ende 20 mehr oder weniger weit aus dem Zu satzkanal 13 hervorsteht. Damit können die Geometrie und der Querschnitt des Ansaugkanals 10 im Bereich der Verbindungszone 15 gesteuert verändert werden, um sie an die optimalen Werte für den jeweiligen Betriebszustand des Motors 10 anzupassen.Thus, the control member 22 , depending on the operating conditions of the engine (z. B. speed of the motor shaft), which are detected by the sensor or sensors 23 , actuate the actuator 21 so that each time the lamella 14 takes an axial position, at the end 20 of which more or less protrudes from the set channel 13 . The geometry and the cross section of the intake duct 10 in the region of the connection zone 15 can thus be changed in a controlled manner in order to adapt them to the optimum values for the respective operating state of the engine 10 .

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der Zusatzkanal 13 und die darin verschiebbare Lamelle 14 gemäß der Erfindung ein System zur Verfügung stellen, mit dem in einfacher und wirt schaftlicher sowie sehr wirkungsvoller Weise ein Querschnitt mit variabler Geometrie des Ansaugkanals 10 erzeugt werden kann, der für jeden Betriebszustand des Motors 1 die Optimie rung der Verwirbelungskennzahl erlaubt, die im Luftstrom 12 her gestellt wird. Sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzah len des Motors 1 kann eine Verwirbelung erreicht werden, die besser ist als die, die in bekannten Motoren erzeugt wird, wel che keine in einem Zusatzkanal verschiebbare Lamelle haben. Bei jeder Axialstellung des Endes 20 der Lamelle 14 in dem Ansaugka nal 10 wird eine Querschnittsverengung des Ansaugkanals 10 durchgeführt, was eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit beim Eingang in die Einlaßspirale 11 und damit eine Erhöhung der Ver wirbelung zur Folge hat. Nach einem wesentlichen Merkmal der Er findung wird durch die Verschiebung der Lamelle 14 erreicht, daß nur die Geometrie der Zone verändert wird, die den Zweck hat, die Verwirbelung des Luftstroms 12 am Eingang weitgehend reproduzierbar zu verändern, wobei gleichzeitig die Gesamtgeome trie des Ansaugkanals 10 unverändert bleibt.In summary, it can be stated that the additional duct 13 and the slat 14 displaceable therein provide a system according to the invention with which a cross-section with variable geometry of the intake duct 10 can be produced in a simple and economical and very effective manner, which can be used by everyone Operating state of the engine 1 allows optimization of the swirl index, which is provided in the air flow 12 ago. Both at high and at low speeds of the motor 1 , a swirl can be achieved which is better than that which is produced in known motors which do not have a slat which can be displaced in an additional channel. At each axial position of the end 20 of the lamella 14 in the Ansaugka channel 10 , a cross-sectional narrowing of the intake duct 10 is carried out, which results in an increase in the air speed upon entry into the inlet spiral 11 and thus an increase in the vortex. According to an essential feature of the invention, it is achieved by the displacement of the lamella 14 that only the geometry of the zone is changed, which has the purpose of changing the swirling of the air flow 12 at the entrance in a largely reproducible manner, while at the same time the overall geometry of the intake duct 10 remains unchanged.

Claims

1. Internal combustion engine, in particular high-speed diesel engine with direct injection, which has at least one combustion chamber, egg NEN intake duct and an inlet spiral connecting this with a suction opening of the combustion chamber, characterized in that each inlet spiral ( 11 ) is assigned an elastic lamella ( 14 ), which is slidably arranged in an additional duct ( 13 ), which in the region of a connecting zone ( 15 ) between the intake duct ( 10 ) and the inlet spiral ( 11 ) opens into it, and that the lamella ( 14 ) with a device for its displacement is connected, in which one end ( 20 ) of adjustable length can be inserted into the connection zone ( 15 ) and thereby throttles the passage cross section of the intake duct ( 10 ) with a corresponding dimension.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the additional channel ( 13 ), in which the lamella ( 14 ) is arranged displaceably, opens into the region of the connecting zone ( 15 ) tangentially to the inlet spiral ( 11 ).

3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the device for displacing the lamella ( 14 ) within the additional channel ( 13 ) is an actuator ( 21 ) which is connected to the end ( 19 ) of the lamella ( 14 ), which is opposite the end ( 20 ) which can be advanced into the connection zone ( 20 ), and has at least one sensor ( 23 ) for the operating parameters of the motor ( 1 ) and for the control of the actuator ( 21 ).

4. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the lamella ( 14 ) made of string steel be.

5. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the additional duct ( 13 ) from the side of a curved back flank ( 16 ) of the intake duct ( 10 ) is machined, the intake duct ( 10 ) and the auxiliary duct ( 13 ) being arcuate Have course.