DE602004004133T2 - Einlasskrümmer mit Luftbehälter für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Einlasskrümmer für einen Verbrennungsmotor.
  • Wie bekannt, umfasst ein Verbrennungsmotor eine Anzahl von Zylindern, von denen jeder über ein zugehöriges Einlassventil mit einem Einlasskrümmer und über ein zugehöriges Auslassventil mit einem Auslasskrümmer verbunden ist. Der Einlasskrümmer ist über ein jeweiliges Einlassrohr mit jedem Zylinder verbunden und erhält über ein Drosselventil, das zwischen einer geschlossenen Position und einer vollständig offenen Position einstellbar ist, frische Luft (d. h. Außenluft, die ungefähr 20 Prozent Sauerstoff enthält); und ein Auspuffrohr erstreckt sich von dem Auslasskrümmer und endet in einem Dämpfer, um die Verbrennungsgase in die Atmosphäre abzugeben.
  • Zyklisches Öffnen und Schließen der Einlassventile verhindert einen kontinuierlichen Massenfluss von Einlassluft und innerhalb der Einlassrohre tritt Pulsieren oder sogar Rückwärtsfluss auf. Dieser diskontinuierliche Fluss beeinflusst das Laden der Zylinder (und damit das Drehmoment des Motors) und setzt den Einlasskrümmer mechanischer Spannung aus, welche die Herstellung von leichter konstruierten Einlasskrümmern verhindert.
  • Die DE 3210239 A1 beschreibt einen Luftbehälter, um Schwankungen der Flussrate in Druckleitungen von Pumpen und Ähnlichem (insbesondere oszillierenden Verdrängerpumpen) auszugleichen; der Luftbehälter hat eine röhrenförmige Membran, durch die das Flussmedium fließt; eine Vorratsflüssigkeit, welche die röhrenförmige Membran in einem Gehäuse umgibt, das die röhrenförmige Membran enthält; ein Fühlerventil, das an der äußeren Fläche der röhrenförmigen Membran in der Vorratsflüssigkeit angebracht ist; und ein Druckgefäß, welches die Vorratsflüssigkeit enthält. In diesem Luftbehälteraufbau fließt das Flussmedium in einer geraden Linie durch den Behälter und die röhrenförmige Membran ist vorzugsweise eine Doppelröhre, um zu verhindern, dass das Flussmedium in Kontakt mit der Vorratsflüssigkeit des Druckbehälters kommt.
  • Die US 5826554 A1 beschreibt ein Druckentlastungsmittel für ein dünnwandiges Luftzuführungsrohr für einen Verbrennungsmotor; um überschüssigen Druck in dem Rohr abzulassen, ist ein Ventil in einer Öffnung in einer dünnen Wand eines Luftzuführungsrohres installiert, welches Verbrennungsluft von einem Flusskontrollgerät an einen Zylinder eines Verbrennungsmotors liefert. Das Ventil beinhaltet eine Buchse, die mit einem Segment des Luftzuführungsrohres verbunden ist, und ein Schirmventil aus einem Elastomer, das in der Buchse gelagert ist, um normalerweise die Öffnung in dem Rohr zu bedecken und deformiert zu werden, wenn der Druck in dem Rohr einen vorgegebenen Wert erreicht, um so die Öffnung nicht zu bedecken und das Innere des Rohres mit der umgebenden Atmosphäre zu verbinden.
  • US 6302076 B1 offenbart einen Viertaktmotor, der eine Verbrennungskammer, einen Einlasskrümmer, der mit der Verbrennungskammer verbunden ist, ein Einwegventil, welches innerhalb des Einlasskrümmers angeordnet ist, ein Einlassventil um den Fluss des Kraftstoff-Luft-Gemisches in die und aus der Verbrennungskammer zu modulieren, und eine Druckkammer beinhaltet, die innerhalb des Einlasskrümmers stromabwärts des Einwegventils und stromaufwärts des Einlassventils angeordnet ist. Während des Kompressionstaktes des Motors wird eine unter Druck stehende Ladung von Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Krümmer und der Druckkammer gespeichert; die Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die in dem Verteiler gespeichert wird, wird durch Anpassen des Volumens der Druckkammer gesteuert, oder alternativ wird ein Druckkammerventil benutzt, um die Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu regulieren, das in ein festes Volumen der Druckkammer ein-/ausströmt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Einlasskrümmer für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, der ausgestaltet ist, die zuvor genannten Nachteile zu beseitigen und der insbesondere billig und einfach herzustellen ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Einlasskrümmer für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, wie er in den beiliegenden Ansprüchen beschrieben ist.
  • Ein nicht beschränkendes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors zeigt, der einen Einlasskrümmer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat; und
  • 2 und 3 lateral Schnittansichten eines Luftbehälters des Einlasskrümmers gemäß 1 in zwei verschiedenen Konfigurationen zeigen.
  • Nr. 1 in 1 bezeichnet einen Verbrennungsmotor als Ganzes, der vier Zylinder 2 (von denen in 1 nur einer gezeigt ist) hat, von denen jeder durch ein jeweiliges Einlassrohr 4, das durch ein Einlassventil 5 reguliert wird, mit einem Einlasskrümmer 3 und über ein jeweiliges Auslassrohr 7, das von einem Auslassventil 8 reguliert wird, mit einem Auslasskrümmer 6 verbunden ist. Der Einlasskrümmer 3 erhält frische Luft (d. h. Außenluft, die ungefähr 20 Prozent Sauerstoff enthält) mit Hilfe eines Drosselventils 9, das zwischen einer geschlossenen Position und einer vollständig offenen Position einstellbar ist. Ein Auslassrohr 10 erstreckt sich vom Auslasskrümmer 6 und endet in einem (nicht gezeigten) Schalldämpfer, um die Verbrennungsgase in die Atmosphäre abzugeben.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, wird der Kraftstoff (e. g. Benzin, Diesel, Methan, LPG, usw.) durch eine jeweilige Einspritzdüse 11 direkt in jeden Zylinder 2 eingespritzt. In einem alternativen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind Einspritzdüsen 11 innerhalb der Einlassrohre 4 angeordnet (indirekte Einspritzung).
  • Jeder Zylinder 2 hat einen Kolben 12, der sich periodisch innerhalb des Zylinders 2 auf und ab bewegt und mechanisch über eine zugehörige Kurbel 14 mit einer Kurbelwelle 13 verbunden ist.
  • Der Motor 1 umfasst auch eine Steuereinheit 15, welche insbesondere in jedem Zyklus das Drosselventil 9 und die Einspritzdüsen 11 steuert, um die Zylinder 2 mit einer Menge einer Mischung von Kraftstoff und Verbrennungsunterstützer (frischer Luft) in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors 1 und der Steuerung durch den Fahrer zu füllen. Andererseits sind die Einlassventile 5 und die Auslassventile 8 mechanisch über ein (nicht gezeigtes) Nockensystem mechanisch mit der Kurbelwelle 13 verbunden und werden so durch die Rotation der Kurbelwelle 13 aktiviert.
  • Der Einlasskrümmer 3 umfasst einen Luftbehälter 16, der für jedes Einlassrohr 4 einen Hohlkörper 17 umfasst, der zwischen dem Einlasskrümmer 3 und dem Zylinder 2 angeordnet ist und eine leere Kammer 18 definiert, die über ein Hochgeschwindigkeits-Ausgleichsventil 19, das vor dem Zylindereinlass, der von dem Einlassventil 5 definiert wird, angeordnet ist, mit dem Einlassrohr 4 verbunden ist. In einer nicht gezeigten Abwandlung ist ein einzelner Hohlkörper 17 zwischen dem Einlasskrümmer 3 und den Zylindern 2 vorgesehen, der vier gegeneinander isolierte, leere Kammern 18 enthält (d. h. für jeden Zylinder 2 gibt es eine zugehörige isolierte leere Kammer 18).
  • In einem (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsbeispiel umfasst der Luftbehälter 16 nur einen Hohlkörper 17, der über vier zugehörige Ausgleichsventile 19 mit den vier Einlassrohren 4 in Verbindung steht. In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Luftbehälter 16 nur einen Hohlkörper 17, der mit Hilfe eines einzelnen Ausgleichsventils 19 in Verbindung mit dem Einlasskrümmer 3 steht. Diese Konfiguration ist billiger und kompakter, reduziert aber die Leistung.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird jedes Ausgleichsventil 19 von einer (nicht gezeigten) bekannten Nocke angetrieben, die mit der Kurbelwelle 13 verbunden ist, und die entweder die selbe Nocke sein kann, die das zugehörige Einlassventil 5 antreibt, oder eine andere Nocke. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, wird jedes Ausgleichsventil 19 durch einen zugehörigen elektrischen Stellantrieb 20 angetrieben, der von der Steuereinheit 15 gesteuert wird; in diesem Fall kann die Steuereinheit 15 auch mit einer Anzahl von Drucksensoren 21 verbunden sein, von denen jeder innerhalb eines jeweiligen Einlassrohres 4 angeordnet ist, um den Druck zu bestimmen. Ohne Drucksensoren 21 wird das Öffnen und Schließen der Ausgleichsventile 19 allein auf der Basis der Winkelposition der Kurbelwelle 13 durchgeführt; mit Drucksensoren 21 wird das Öffnen und Schließen der Ausgleichsventile 19 auf der Basis der Winkelposition der Kurbelwelle 13 und dem Wert des Druckes innerhalb der Einlassrohre 4 durchgeführt. Die Drucksensoren 21 können durch eine Schätzeinheit ersetzt werden, die geeignet ist, den Wert des Druckes innerhalb der Einlassrohre 4 zu schätzen, ohne eine direkte Messung durchzuführen.
  • Im tatsächlichen Betrieb verhindert das periodische Öffnen und Schließen der Einlassventile 5 einen kontinuierlichen Massenfluss der Einlassluft und bewirkt ein Pulsieren innerhalb der Einlassrohre 4; wobei dieses Pulsieren der Einlassluft Unterdruck und Überdruck innerhalb jeder Einlassrohres 4 bewirkt und die Variation des Druckes zeitabhängig ist (d. h. hängt von der Winkelposition der Kurbelwelle 13 ab).
  • Während des Einlasstaktes eines Zylinders 2 (d. h., wenn das zugehörige Einlassventil 5 offen ist, um Zylinder 2 von dem Einlasskrümmer 3 frische Luft zuzuführen), ist das zugehörige Ausgleichsventil 19 geschlossen (2); sobald sich das Einlassventil 5 schließt und der Druck innerhalb des zugehörigen Einlassrohres 4 anfängt zu steigen, wird das zugehörige Ausgleichsventil 19 geöffnet (3), bis der Druck das Maximum erreicht, und wird dann sofort geschlossen, um einen Überdruck in Kammer 18 herzustellen. Wenn das Einlassventil 5 zu Beginn des nächsten Einlasstaktes des Zylinders 2 wieder geöffnet wird, wird das Ausgleichsventil 19 geöffnet, um das Laden des Zylinders 2 zu unterstützen. Insbesondere kann das Ausgleichsventil 19 kurz vor dem Öffnen des Einlassventils 5 geöffnet werden, um so einen kleinen Überdruck innerhalb des Einlassrohres 4 zu erzeugen, wenn das Einlassventil 5 geöffnet wird. Wenn in dem Einlassrohr 4 durch Saugen des Zylinders 2 ein Unterdruck erzeugt wird, wird das Ausgleichsventil 19 geschlossen, um einen Unterdruck in Kammer 18 herzustellen; an diesem Punkt wird der zuvor beschriebene Zyklus wiederholt.
  • Der zuvor beschriebene Luftbehälter 16 kann in jeder Art von Verbrennungsmotor verwendet werden, einschließlich Zweitaktmotoren oder Rotationsmotoren, die kein Einlass- und Auslassventil haben, und ebenso Rennmotoren, die einen Einlasskrümmer für jeden Zylinder haben.
  • Luftbehälter 16 bewirkt eine bedeutende Verringerung der negativen Effekte, die von dem Pulsieren der Einlassluft erzeugt werden, und insbesondere eine verbesserte Ladung der Zylinder (und daher des Drehmoments des Motors) und eine Verringerung der mechanischen Spannungen auf den Einlasskrümmer 3.

Claims (15)

  1. Einlasskrümmer (3) für eine Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Zylinder (2); wobei der Einlasskrümmer (3) wenigstens ein Einlassrohr (4), das den Einlasskrümmer (3) mit dem Zylinder (2) verbindet, und einen Luftbehälter (16) aufweist, der wenigstens einen hohlen Körper (17) umfasst, der eine leere Kammer (18) definiert, die mit dem Einlasskrümmer (3) mit Hilfe eines Ausgleichsventils (19) in Kommunikation steht, wobei der Einlasskrümmer (3) dadurch gekennzeichnet ist, dass die leere Kammer (18) direkt mit dem Einlassrohr (4) mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Ausgleichsventils (19) in Kommunikation steht.
  2. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der hohle Körper (17) zwischen dem Einlasskrümmer (3) und dem Zylinder (2) angeordnet ist.
  3. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, worin das Einlassrohr (4) durch wenigstens ein Einlassventil (5) geregelt wird, und worin das Ausgleichsventil (19) vor dem Zylindereinlass angeordnet ist, der durch das Einlassventil (5) gebildet wird.
  4. Einlasskrümmer (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, worin das Ausgleichsventil (19) durch ein Nockensystem betätigt wird, das durch eine Kurbelwelle (13) der Maschine (1) betrieben wird.
  5. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 4 beansprucht, worin das Einlassrohr (4) durch wenigstens ein Einlassventil (5) geregelt wird, und worin das Ausgleichsventil (19) durch einen Nocken betätigt wird, der das Einlassventil (5) betreibt.
  6. Einlasskrümmer (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, worin das Ausgleichsventil (19) durch ein elastisches Betätigungselement (20) betätigt wird, das durch eine Steuereinheit (15) gesteuert wird.
  7. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 6 beansprucht, worin Abschätzmittel vorgesehen sind, die mit der Steuereinheit (5) verbunden sind und den Druck in dem Einlassrohr (4) abschätzen; und worin die Steuereinheit (15) das Öffnen/Schließen des Ausgleichsventils (19) auf der Basis der Winkelpositi on einer Kurbelwelle (13) der Maschine und des Betrages des Druckes innerhalb des Einlassrohres (4) steuert.
  8. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 7 beansprucht, worin die Abschätzmittel einen Drucksensor (21) umfassen, der in dem Einlassrohr (4) angeordnet ist.
  9. Einlasskrümmer (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht, worin die Maschine (1) eine Anzahl Zylinder (2) aufweist, die jeweils mit dem Einlasskrümmer (3) durch ein zugeordnetes Einlassrohr (4) verbunden sind, und worin der Luftbehälter (16) nur einen hohlen Körper (17) aufweist, der mit dem Einlasskrümmer (3) mit Hilfe eines einzigen Ausgleichsventils (19) in Kommunikation steht.
  10. Einlasskrümmer (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht, worin die Maschine (1) eine Anzahl von Zylindern (2) aufweist, die jeweils mit dem Einlasskrümmer (3) durch ein zugeordnetes Einlassrohr (4) verbunden sind, und worin der Luftbehälter (16) nur einen hohlen Körper (17) aufweist, der mit jedem Einlassrohr (4) mit Hilfe eines zugeordneten Ausgleichsventils (19) in Kommunikation steht.
  11. Einlasskrümmer (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht, worin die Maschine (1) eine Anzahl Zylinder (2) aufweist, die jeweils mit dem Einlasskrümmer (3) durch ein zugeordnetes Einlassrohr (4) verbunden sind, und worin der Luftbehälter (16) für jedes Einlassrohr (4) eine zugeordnete, leere Kammer (18) aufweist, die mit dem Einlassrohr (4) durch ein zugeordnetes Ausgleichsventil (19) verbunden sind.
  12. Einlasskrümmer (3) wie in Anspruch 11 beansprucht, worin der Luftbehälter (16) einen einzigen hohlen Körper (17) aufweist, der eine Anzahl wechselseitig isolierter, leerer Kammern (18) enthält.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Ausgleichsventils (19) eines Einlasskrümmers (3) wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 beansprucht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Schließen des Ausgleichsventils (19) während des Einlasshubes des Zylinders (2); Öffnen des Ausgleichsventils (19) sobald das Einlassventil (5) des Zylinders (2) schließt und der Druck in dem Einlassrohr (4) anzusteigen beginnt; Offenhalten des Ausgleichsventils (19) bis der Druck in dem Einlassrohr (4) ein Maximum erreicht; Schließen des Ausgleichsventils (19) unmittelbar nachdem der Druck in dem Einlassrohr (4) das Maximum erreicht, um einen Überdruck in der Kammer (18) aufzubauen; Öffnen des Ausgleichsventils (19), wenn das Einlassventil (5) bei Beginn des nächsten Ansaughubes des Zylinders sich erneut öffnet, um die Aufladung des Zylinders (2) zu unterstützen.
  14. Verfahren wie in Anspruch 13 beansprucht, worin das Ausgleichsventil (19) geschlossen wird, wenn ein Unterdruck in dem Einlassrohr (4) durch die Saugwirkung des Zylinders (2) erzeugt wird, um einen Unterdruck in der Kammer (18) zu erzeugen.
  15. Verfahren wie in Anspruch 13 oder 14 beansprucht, worin das Ausgleichsventil (19) kurz vor dem Öffnen des Einlassventils (5) geöffnet wird, um einen kleinen Überdruck in dem Einlassrohr (4) zu erzeugen, wenn das Einlassventil (5) geöffnet wird.
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