DE4008610A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende Brenn­ kraftmaschine mit den im Oberbegriff des Hauptanspruches ange­ gebenen Merkmalen.

Bei einer aus der DE-OS 37 07 805 bekannten gattungsgemäßen Brennkraftmaschine sind im Zylinderkopf zur Steuerung des Ein­ lasses zwei Einlaßventile pro Zylinder vorgesehen. Im niederen Drehzahlbereich erfolgt der Einlaß nur über einen Einlaßkanal, welcher zur Erzielung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit ei­ nen relativ geringen Querschnitt aufweist. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit und insbesondere dadurch, daß in die­ sen Drehzahlbereichen das Gemisch ausschließlich über einen tangential in den Brennraum einmündenden Einlaßkanal angesaugt wird, bildet sich im Brennraum ein relativ starker Horizontal­ drall aus. Durch diesen starken Drall wirken auf die im Gemisch befindlichen Kraftstofftröpfchen relativ hohe Zentrifugalkräf­ te, wodurch diese radial nach außen in Richtung der Zylinder­ wandung fliegen. Die Folge hiervon ist eine teilweise Trennung des Gemisches im Brennraum, vor allem im Bereich einer zentral liegenden Zündkerze. Die Gemischzusammensetzung im Bereich der Zündkerze magert dabei so stark ab, daß eine optimale Zündung des Gemisches nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der US-PS 46 17 896 ist eine gemischverdichtende Brenn­ kraftmaschine bekannt, welche drei Einlaßventile pro Zylinder aufweist. Diese drei Einlaßventile steuern drei Einlaßkanäle, welche noch im Zylinderkopf aus einem gemeinsamen Kanal her­ vorgehen. An diesen gemeinsamen Kanal ist eine zweiflutige An­ saugleitung angeschlossen, wobei in einer Flut eine Drossel­ klappe angeordnet ist, welche im niederen Drehzahlbereich ge­ schlossen, ansonsten geöffnet ist. Der Nachteil dieser Brenn­ kraftmaschine besteht darin, daß im niederen Drehzahlbereich, also dann wenn eine Flut verschlossen ist, in der anderen Flut zwar eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit vorliegt, je­ doch durch die Querschnittsvergrößerung im Bereich des An­ schlusses der Ansaugleitung an den für alle drei Einlaßventile gemeinsamen Kanal reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit beträchtlich, so daß nach dem Eintritt des Gemisches in den Brennraum der Brennkraftmaschine nur noch geringe Gas- bzw. Gemischbewegungen gegeben sind. Die Durchbrenngeschwindigkeit des Gemisches ist dadurch reduziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschrie­ benen Art zu schaffen, bei welcher insbesondere im niederen Drehzahlbereich eine optimale Zündung und Verbrennung des an­ gesaugten Gemisches gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird das Gemisch im niederen Drehzahlbereich ausschließlich über den dem mitt­ leren Einlaßventil zugeordneten Kanal in den Brennraum einge­ bracht. Das Gemisch strömt damit nicht mehr tangential, sondern nahezu radial in den Brennraum ein, wodurch die Entstehung ei­ nes Horizontaldralles vermieden werden kann. Eine Entmischung des Gemisches infolge zu hoher Fliehkräfte, insbesondere im Bereich einer zentral angeordneten Zündkerze ist damit ausgeschlossen. Dadurch, daß das Gemisch relativ zentral in den Brennraum eingebracht wir, entsteht ein Vertikaldrall, so daß das Gemisch ständig im Bereich der zentral angeordneten Zünd­ kerze vorbeiströmt. Damit sind optimale Zündbedingungen gege­ ben.

Dadurch, daß ab der Registerventileinrichtung die beiden den äußeren Einlaßventilen zugeordneten Einlaßtrakte von dem dem mittleren Einlaßventil zugeordneten Einlaßtrakt strömungstechnisch vollkommen getrennt geführt sind, wird ge­ rade bei geschlossenem Registerventilelement, also im niederen Drehzahlbereich, in dem dem mittleren Einlaßventil zugeordneten Einlaßtrakt eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit erzielt. Es kommt dadurch im Brennraum nach dem Eintritt des Gemisches zusätzlich zu Verwirbelungen, welche die Durchbrenngeschwin­ digkeit des Gemisches deutlich erhöhen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, daß für die beiden Hochdrehzahleinlaßtrakte pro Zylinder nur eine Ansaug­ leitung erforderlich ist. Wird nun das Registerventilelement in diese Ansaugleitung eingesetzt, so können über dieses die bei­ den äußeren Einlaßkanäle, die dem ersten und dem dritten Ein­ laßventil zugeordnet sind, gesteuert werden. Dies stellt eine einfach bauende und kostengünstige Lösung dar.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 lassen sich in den beiden dem ersten und dem dritten Einlaßventil zugeordneten Einlaß­ trakten (Hochdrehzahleinlaßtrakte) relativ hohe Strömungsge­ schwindigkeiten erreichen. Dies führt in dem Drehzahlbereich, in welchem diese Einlaßtrakte zugeschaltet sind (ab dem mitt­ leren Drehzahlbereich), zu einer guten Verwirbelung im Brenn­ raum und damit ebenfalls zu einer Erhöhung der Durchbrennge­ schwindigkeit des Gemisches. Dadurch, daß das erste und das dritte Einlaßventil einander gegenüber liegen und die diesen Ventilen zugeordneten Einlaßkanäle ungefähr in gleicher Richtung in den Brennraum einmünden, ist selbst bei diesen ho­ hen Strömungsgeschwindigkeiten der Ansauggase die Bildung eines schädlichen Horizontaldralles (Entmischung des Gemisches durch Fliehkräfte) im Brennraum ausgeschlossen.

Mit den Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 4 und 5 lassen sich über relativ große Drehzahlbereiche optimale Füllungsgrade er­ zielen, wobei der Anspruch 6 eine besondere Ausgestaltung für eine 8-zylindrige Brennkraftmaschine der V-Bauart aufzeigt.

Die Registerventilelemente klappenförmig auszubilden stellt eine einfache und kostengünstige Lösung dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles dargestellt.

Im einzelnen zeigt in Form von zueinander nicht maßstabsgerechten Prinzipdarstellungen

Fig. 1 eine 8-zylindrige gemischverdichtende Brennkraftma­ schine in einer Draufsicht und

Fig. 2 eine Vorderansicht der Brennkraftmaschine nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine 9 der V-Bauart mit 8 Zylindern (Zylinderbank 10: Zylinder 1-4 und Zylinderbank 11: Zylinder 5-8).

Pro Zylinder sind zur Steuerung des Gemischeinlasses jeweils drei Einlaßventile 12, 13 und 14 vorgesehen. Der Gasauslaß wird über zwei in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Auslaßventile pro Zylinder gesteuert.

Das erste Einlaßventil 12 ist dabei jeweils im Einmündungsbe­ reich eines ersten Einlaßtraktes 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 9 angeordnet. Dieser erste Einlaßtrakt 15 besteht aus einem im Zylinderkopf verlaufenden Einlaßkanal 16 und eine daran angeschlossene Ansaugleitung 17. Das zweite Einlaßventil 13 ist jeweils im Einmündungsbereich eines zweiten Einlaßtraktes 18 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 9 an­ geordnet. Dieser zweite Einlaßtrakt 18 besteht aus einem im Zylinderkopf verlaufenden Einlaßkanal 19 und eine daran ange­ schlossene Ansaugleitung 20. Das dritte Einlaßventil 14 schließlich ist jeweils im Einmündungsbereich eines dritten Einlaßtraktes 21 in den Brennraum der Brennkraftmaschine 9 an­ geordnet, welcher ebenfalls aus einem im Zylinderkopf verlau­ fenden Einlaßkanal 22 und einer daran angeschlossenen Ansaug­ leitung 23 besteht. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Ein­ laßventile, die Einlaßtrakte bzw. die Einlaßkanäle und die An­ saugleitungen nur von den Zylindern 1 und 5 mit Bezugszeichen versehen. Für die übrigen Zylinder gelten selbstverständlich die gleichen Bezugszeichen.

In der Ansaugleitung 17 bzw. 23 des jeweils ersten und dritten Einlaßtraktes 15 und 21 ist je ein als Registerklappe 24 bzw. 25 ausgebildetes Registerventilelement angeordnet. Sämtliche Registerklappen 24 bzw. 25 einer Zylinderbank sind über ein in der Zeichnung nicht sichtbares Gestänge miteinander gekoppelt und befinden sich im niederen Drehzahlbereich der Brennkraft­ maschine 9 in Schließstellung und ab dem mittleren Drehzahlbe­ reich bis hin zur Höchstdrehzahl in Öffnungsstellung. Die Be­ tätigung der Registerklappen der beiden Zylinderbänke erfolgt ebenso absolut synchron. In der Zeichnung befinden sich sämtliche Registerklappen 24 bzw. 25 in Schließstellung.

Der erste und der dritte Einlaßtrakt 15 und 21 der Zylinder 1 bis 4 ist jeweils an ein erstes Resonanzvolumen (Hochdrehzahlsammelbehälter 26) und der erste und dritte Ein­ laßtrakt 15 und 21 der Zylinder 5 bis 8 jeweils an ein weiteres Resonanzvolumen (Hochdrehzahlsammelbehälter 27) angeschlossen. Der zweite, also der vom mittleren Einlaßventil 13 ausgehende zweite Einlaßtrakt 18 aller Zylinder hingegen ist jeweils an ein zwischen den Zylinderbänken 10 und 11 angeordnetes Reso­ nanzvolumen (Niederdrehzahlsammelbehälter 28) angeschlossen, wobei der Niederdrehzahlsammelbehälter 28 durch eine in Längs­ richtung der Brennkraftmaschine 9 verlaufende Trennwand 29 in zwei Teilsammelvolumen 30 und 31 unterteilt ist. Dabei betragen die Saugabstände aus den jeweiligen Teilsammelvolumen 30 bzw. 31 180° Kurbelwinkel. D.h., daß bei einer angenommenen Zünd­ folge von 1-5-4-8-6-3-7-2 jeweils der zweite Einlaßtrakt 18 der Zylinder 1, 4, 6 und 7 aus dem Teilsammelvolumen 30 und derje­ nige der Zylinder 5, 8, 3 und 2 aus dem Teilsammelvolumen 31 ansaugt.

Stromauf der Resonanzvolumen (Hoch- 26 bzw. 27 und Niederdrehzahlsammelbehälter 28) entspringen die zu diesen Re­ sonanzvolumen führenden Leitungen einer gemeinsamen, in der Zeichnung nicht sichtbaren Saugleitung, in welche eine Dros­ selklappe zur Steuerung der Brennkraftmaschinenlast angeordnet ist. Die Strömungsrichtung der Ansauggase ist mit den Pfeilen 32 gekennzeichnet.

Sind nun, - wie in der Zeichnung (Fig. 1 und 2) -, im niederen Drehzahlbereich alle Registerklappen 24 und 25 geschlossen, so erfolgt die Luftansaugung eines jeden Zylinders 1 bis 8 aus­ schließlich über jeweils den zweiten Einlaßtrakt 18 aus dem Niederdrehzahlsammelbehälter 28. Infolge des jetzt durch die geschlossenen Klappen 24 und 25 reduzierten Gesamtansaugquer­ schnittes werden in den zweiten Einlaßtrakten 18 relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten erzielt. Dadurch, daß das jeweils diesem zweiten Einlaßtrakt 18 zugeordnete Einlaßventil 13 un­ gefähr zwischen dem ersten und dritten Einlaßventil 12 und 14 liegt und demzufolge der Einlaßkanal 19 des zweiten Einlaß­ traktes 18 nicht tangential, sondern radial in den Brennraum einmündet (bezogen auf die Zeichenebene der Fig. 1), entsteht im Brennraum in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindig­ keit eine Art Vertikaldrall (Drall senkrecht zu Zeichenebene) im Bereich der zentral angeordneten Zündkerze 33, welcher eine zusätzliche Verwirbelung des Gemisches im Brennraum verursacht. Damit liegen optimale Zündbedingungen im Bereich der Zündkerze 33 vor. Darüber hinaus ist durch die zusätzliche Wirbelbildung nach erfolgter Zündung des Gemisches eine relativ hohe Durch­ brenngeschwindigkeit gegeben.

Ab dem mittleren Drehzahlbereich werden dann schließlich die Registerklappen 24 und 25 für alle Zylinder 1 bis 8 geöffnet. Dies führt zu einer Vergrößerung des Ansaugquerschnittes, so daß in den mittleren und hohen Drehzahlbereichen ein maximaler Liefergrad erreichbar ist.

In der in Fig. 2 dargestellten Vorderansicht ist zu sehen, daß die mit den Hochdrehzahlsammelbehältern 26 bzw. 27 verbundenen Einlaßtrakte 15 und 21 kürzer ausgebildet sind als die mit dem Niederdrehzahlsammelbehälter 28 verbundenen Einlaßtrakte 18.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso denkbar, jeweils den Einlaßkanal des ersten und des dritten Einlaß­ traktes noch im Zylinderkopf in einem gemeinsamen Einlaßkanal zusammenzuführen und an diesen Kanal eine Ansaugleitung anzu­ flanschen, in welcher eine Registerklappe eingesetzt ist und welche zu einem Hochdrehzahlsammelbehälter führt.

Auch ist es ferner möglich, die ersten und dritten Einlaßtrakte an einen gemeinsamen Hochdrehzahlsammelbehälter für beide Zy­ linderbänke anzuschließen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso möglich, die Registerklappen ab erreichen einer vorgegebenen Grenzdreh­ zahl nicht schlagartig, sondern mit steigender Drehzahl bis hin zu einer weiteren Grenzdrehzahl kontinuierlich zu öffnen.

Es ist nicht zwingend erforderlich, die Registerklappen in die an die Einlaßkanäle angeschlossenen Ansaugleitungen einzuset­ zen, sie können auch direkt in den Einlaßkanälen angeordnet werden.

Claims (9)

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit folgenden Merk­ malen pro Zylinder

• - im Einmündungsbereich eines aus einem Einlaßkanal und ei­ ner daran angeschlossenen Ansaugleitung gebildeten ersten Einlaßtraktes in den Brennraum der Brennkraftmaschine ist ein erstes Einlaßventil angeordnet,
• - im Einmündungsbereich eines aus einem Einlaßkanal und ei­ ner daran angeschlossenen Ansaugleitung gebildeten zweiten Einlaßtraktes in den Brennraum der Brennkraftmaschine ist eine zweites Einlaßventil angeordnet,
• - im Verlauf des ersten Einlaßtraktes ist ein Registerven­ tilelement angeordnet, welches im niederen Drehzahlbereich in Schließstellung und ab dem mittleren Drehzahlbereich in einer Öffnungsstellung gehalten ist und
• - stromab des Registerventilelementes sind der erste und der zweite Einlaßtrakt strömungstechnisch getrennt voneinander geführt,

dadurch gekennzeichnet, daß im Einmündungsbereich eines aus einem Einlaßkanal (22) und einer daran angeschlossenen Ansaugleitung (23) gebildeten dritten Einlaßtraktes (21) in den Brennraum der Brennkraftma­ schine (9) ein drittes Einlaßventil (14) angeordnet ist, daß stromab eines in dem dritten Einlaßtrakt (21) vorgesehenen Re­ gisterventilelementes (25) der zweite (18) und der dritte Ein­ laßtrakt (21) strömungstechnisch getrennt voneinander geführt sind, daß der dritte Einlaßtrakt (21) in derselben Weise wie der erste Einlaßtrakt (15) steuerbar ist und daß das zweite Einlaßventil (13) wenigstens ungefähr zwischen dem ersten (12) und dem dritten Einlaßventil (14) angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle des ersten und des dritten Einlaßtraktes in einen gemeinsamen Einlaßkanal einmünden, an welchen eine Ansaugleitung angeschlossen ist, in welcher das Registerven­ tilelement angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Einlaßkanal (16) des ersten Einlaßtraktes (15) und an den Einlaßkanal (22) des dritten Einlaßtraktes (21) jeweils eine separate Ansaugleitung (17 bzw. 23) angeschlossen ist, in welcher jeweils eine Registerventilelement (24 bzw. 25) angeordnet ist und daß die beiden Registerventilelemente (24 und 25) miteinander gekoppelt sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch ein Registerventilelement (24 bzw. 25) steuer­ baren Einlaßtrakte (15 bzw. 21) kürzer ausgebildet sind als der zweite Einlaßtrakt (18).

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Einlaßtrakt (15 und 21) jeweils an einen Hochdrehzahlsammelbehälter (26 bzw. 27) und der zweite Einlaßtrakt (18) an einen Niederdrehzahlsammelbehälter (28) angeschlossen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine der V-Bauart mit 8 Zylindern der Niederdrehzahlsammelbehälter (28) in zwei Teilsammelvolumen (30 und 31) unterteilt ist und daß die Saugabstände aus den beiden Teilsammelvolumen (30 und 31) 180° Kurbelwinkel betra­ gen.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Einlaßventil (13) einen größeren Durchmesser aufweist, als das erste (12) und das dritte Einlaßventil (14).

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Registerventilelement bzw. die Registerventilelemente als Registerklappe bzw. als Registerklappen (24 bzw. 25) aus­ gebildet ist bzw. sind.