DE69504869T2

DE69504869T2 - Einlass-system für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69504869T2
Application number: DE69504869T
Authority: DE
Inventors: Thomas Tsoi-Hei Essex Cm3 5By Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: US5765525A; WO1996018813A1; DE69504869D1; EP0797731A1; EP0797731B1

Description

Erfindungsbereich

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlaßsystem für Verbrennungsmotoren des Typs, der zwei Einlaßventile pro Zylinder besitzt.

Hintergrund der Erfindung

Es sind Motoren bekannt, die zwei Einlaßventile pro Zylinder besitzen, so daß einer der Einlaßkanäle die Ladung tangential in der Nähe des äußeren Umfangs des Zylinders, in den Kraftstoff eingespritzt wird, einbringt. Während des Betriebs bei niedriger Last wird Kanaldeaktivierung verwendet, um den anderen Einlaßkanal zu schließen, damit eine starke Verwirbelung in der Verbrennungskammer durch den ersten Kanal erzeugt wird. Die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verwirbelungskanal bewirkt eine gute Vermischung und produziert eine homogene Ladung mit Kraftstoff und Luft sogar bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Bei höheren Drehzahlen und Lasten sind beide Einlaßkanäle aktiv und das Kraftstoffeinspritzungssystem kann so angeordnet werden, daß der Kraftstoff in der Verbrennungskammer wiederum gut vermischt wird.
Obiges ist als bekannter Stand der Technik in US-A-5,094,210 bestätigt, welches weiterhin einen Motor mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder beschreibt, der getrennte Einlaßkrümmer besitzt, die jeweils zum ersten und zweiten Satz der Einlaßkanäle führen. Die Krümmer werden getrennt gedrosselt und Kraftstoff wird beiden Sätzen von Einlaßkanälen zugeführt; im Falle der ersten Kanäle durch ein zentrales Kraftstoffversorgungssystem, das sich bei der Plenumkammer des ersten Einlaßkrümmers befindet, und im Falle der zweiten Kanäle durch Kraftstoffeinspritzung in die einzelnen Kanäle. Die Einlaßkanäle in diesem Patent sind so entworfen, daß wenn die Ladung gleich stark durch beide Kanäle angesaugt wird, sie sich in die Verbrennungskammer wälzt, wohingegen die Ladung in der Verbrennungskammer verwirbelt, wenn sie nur durch einen Kanal angesaugt wird. Durch unabhängige Veränderung der Ströme zwischen den zwei Sätzen von Einlaßkanälen wird eine Mischung aus Umwälzung und Verwirbeln erzielt. Der Begriff Verwirbeln wird hier in der gewöhnlich akzeptierten Bedeutung verwendet, um die Bewegung der Ladung als Wirbel im Zylinder zu beschreiben, dessen Achse parallel zur Zylinderachse verläuft. Im Gegensatz dazu beschreibt Umwälzung die Bewegung, mit der die Ladung um die Achse rotiert, die senkrecht zur Zylinderachse und parallel zur Ebene steht, die die Achsen der beiden Einlaßventile beinhaltet. Das obige System eignet sich hauptsächlich für homogene Ladungen, aber es ist auch möglich, einen gewissen Grad an Schichtung der Ladung zu erzielen, indem man die zwei Sätze von Kanälen verschieden beschickt oder durch das Einleiten von Gasen aus der Abgasrückführung (EGR) in einen Satz von Kanälen. Veröffentlichte Daten eines Motors, der das obige System (SAE 940449) verwendet, zeigen, daß die durchschnittliche Grenze für ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR) im Bereich von 22 : 1 und die Grenze für die Abgasrückführung im Bereich von 22% liegt. Solche Daten sind typisch für die meisten homogenen Magerverbrennungs-Motoren, und sie sind ein einigermaßen gutes Anzeichen dafür, daß nur ein geringer Grad an Ladungsschichtung erzielt wird. Es ist nicht möglich, den Grad an Ladungsschichtung in diesem System weiter zu steigern und den Motor bei noch höheren durchschnittlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen oder höherer durchschnittlicher Abgasrückführung zu betreiben, da der Mischvorgang, der in der Verbrennungskammer stattfindet, es schwierig macht, verschiedene Teile der Ladung voneinander getrennt zu halten.
Ein weiteres System ist bekannt, das zwei Einlaßventile pro Zylinder besitzt und in dem Abgasrückführung durch den zweiten Einlaßkanal eingeführt wird, während die Luft/Kraftstoff-Mischung durch den ersten Einlaßkanal eingeführt wird. Die zwei Einlaßkanäle sind symmetrisch konstruiert, um starke Umwälzung zu erreichen, und das System zielt darauf ab, eine Ladungsschichtung über die Breite des Zylinders zu erzielen, wobei die verschiedenen Bestandteile der Ladung direkt unter den entsprechenden Einlaßkanälen verbleiben, um somit die gesamte Ladung im wesentlichen in zwei halbzylindrische Ladungsvolumina zu unterteilen. Dieses System eignet sich jedoch nicht zur stabilen Zündung mit einer Zündkerze in der Mitte des Zylinders, da der Funke an der Grenze zwischen den zwei Ladungsvolumina überspringt. Des weiteren bewirkt eine getrennte Veränderung der Ströme zwischen den zwei Einlaßkanälen eine schiefe Umwälzbewegung, was verstärkte Vermischung hervorruft und die Schichtung schnell zerstört. Obwohl in allen obigen Systemen während des Betriebs mit hoher Last beide Einlaßkanäle offen sind und voll genutzt werden, um einen maximalen volumetrischen Wirkungsgrad zu liefern, muß Sorgfalt dafür aufgewendet werden, um den Kraftstoff gleichmäßig in beide Einlaßkanäle einzuführen, da sonst unerwünschte Schichtung und schlechte Vermischung erfolgen kann, was zu unvollständiger Luftausnutzung und niedriger Motorleistung führt. Wenn das Kraftstoffsystem so konstruiert ist, daß Kraftstoff nur durch einen der Einlaßkanäle eingeführt wird, um maximale Ladungsschichtung unter Niedriglastbetrieb zu erzielen, kann ein zweites Kraftstoffsystem nötig sein, um Kraftstoff durch den anderen Einlaßkanal beim Hochlastbetrieb einzuführen und eine homogene Vermischung sicherzustellen. Alternativ können verschieden Mechanismen für die Durchmischung in der Verbrennungskammer für den Niedrig- und Hochlastbetrieb bereitgestellt werden, so daß der Kraftstoff bei Niedriglastbetriebsbedingungen geschichtet, jedoch unter Hochlastbedingungen homogen vermischt ist.
Die obigen Betrachtungen treffen auch für Motoren mit nur einem Einlaßventil pro Zylinder zu, die zwei Einlaßkanäle haben, die mit demselben Einlaßventil verbunden sind. Es sind solche Motoren bekannt, in denen einer der Einlaßkanäle tangential in der Nähe des äußeren Umfangs des Zylinders ausgerichtet ist und der Kraftstoff in diesen Kanal eingespritzt wird. Beim Niedriglastbetrieb wird Kanaldeaktivierung benutzt, um den anderen Einlaßkanal zu schließen, damit starkes Verwirbeln in der Verbrennungskammer durch den ersten Kanal erzeugt wird, der durch eine Seite des Einlaßventils entlädt. Die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verwirbelungskanal erzielt eine gute Vermischung und produziert eine homogene Ladung mit Kraftstoff und Luft selbst bei niedrigen Durchsätzen. Bei höherer Drehzahl und Last sind beide Einlaßkanäle aktiv, um den maximalen volumetrischen Wirkungsgrad zu liefern, und das Kraftstoffeinspritzsystem kann so eingerichtet werden, daß der Kraftstoff auch in der Verbrennungskammer gut vermischt wird, um die maximale Motorleistung zu erzielen. Demnach wird unter allen Bedingungen die gemischte Ladung in der Verbrennungskammer so eingestellt, daß sie homogen ist und jeder Strömungszustand, der die Ladungsschichtung fördern kann, unterdrückt wird. GB-A-2 293 862 beschreibt ein Einlaßsystem für Verbrennungsmotoren des Typs mit zwei an jedem Einlaßventil angeschlossenen Einlaßkanälen, bei dem unter Niedriglastbetrieb beide Einlaßkanäle aktiv sind und Ladungsschichtung dadurch erzielt wird, daß Kraftstoff nur in den Kanal, der zur Mitte des Zylinders hin ausgerichtet ist, eingespritzt wird, wobei der andere Kanal, der tangential zum Zylinder ausgerichtet ist, nur Luft ohne Kraftstoff oder rückgeführte Abgase fördert. Das durch dieses System geschaffene Ausmaß der Schichtung ist wirksam beim Unterhalten einer stabilen Verbrennung mit Mischungen, die ein gesamtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweisen, das deutlich höher ist als das mit einer homogenen Mischung von einheitlich magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis. EP-A-0 594 462 offenbart ein Einlaßsystem für einen Ottomotor des Typs mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder, wobei das Einlaßsystem zwei Einlaßkanäle pro Zylinder besitzt und jedem ein einzelnes Einlaßventil zugeordnet ist. Die Einlaßkanäle führen Mischungen mit verschiedenen Zusammensetzungen zu, und die Durchflußraten durch sie können unabhängig variiert werden. Obwohl der Entwurf der Einlaßkanäle in dieser Literaturstelle die eingeleitete Ladung zu einer wirbelnden Bewegung veranlaßt, ist das Einlaßsystem im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung konstruiert, um eine vertikale Schichtung in der Verbrennungskammer im Zylinder hervorzurufen, die einen nahe der Zündkerze konzentrierten, zündbaren stöchiometrischen Bereich der Ladung an der Spitze der Verbrennungskammer und rückgeführtes Abgas nahe dem Kolbenkopf, entfernt von der Zündkerze, aufweist.

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein Einlaßsystem für Verbrennungsmotoren des Typs mit ein oder zwei Einlaßventilen pro Zylinder bereitzustellen, in dem Ladungsschichtung oder homogene Vermischung stufenlos in Abhängigkeit von der Motorlast ausgewählt werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Einlaßsystem für einen Ottomotor des Typs mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder bereitgestellt, wobei das Einlaßsystem zwei Einlaßkanäle pro Zylinder umfaßt, von denen jeder einem einzelnen Einlaßventil zugeordnet ist, und einer der Einlaßkanäle so geformt ist, daß er einen ersten Fluß tangential an die äußere Peripherie des Zylinders richtet, und der andere Einlaßkanal so geformt ist, daß er einen zweiten, wirbelnden Fluß auf die Mitte des Zylinders richtet, wobei der zweite, wirbelnde Fluß denselben Drehsinn wie der erste Fluß besitzt und eine Vorrichtung bereitgestellt ist, um Kraftstoff in den zweiten, wirbelnden Fluß einzuführen, wodurch im Zylinder eine radial geschichtete Ladung erzeugt wird, in der eine brennbare Mischung nahe der Zylindermitte konzentriert ist, und wobei eine Vorrichtung bereitgestellt ist, um unabhängig die Durchflußraten durch die zwei Einlaßkanäle zu variieren, um den Grad der Ladungsschichtung im Zylinder zu verändern.
In diesem Aspekt der Erfindung sind die zwei Einlaßkanäle so konstruiert, daß zwei verschiedene und unabhängig steuerbare Wirbel erzeugt werden, deren Achsen parallel zur Zylinderachse verlaufen. Der erste äußere Wirbel resultiert aus der Wechselwirkung des Flusses durch den ersten Einlaßkanal mit der Zylindergrenzfläche, während der zweite innere Wirbel gezielt durch den inneren Entwurf des zweiten Einlaßkanals selbst erzeugt wird, der zum Beispiel ein spiralförmiger Kanal ist oder ein Kanal, der Schaufeln im Kanal zum Erzeugen von Wirbeln in der Einlaßladung beinhaltet. So kann radiale Schichtung erreicht werden, in der eine brennbare Mischung entlang der Zylinderachse und Luft ohne Brennstoff, oder rückgeführte Abgase, um die äußere Peripherie konzentriert sind. In diesem Fall werden die zwei Wirbel so gesteuert, daß sie im wesentlichen mit derselben Geschwindigkeit umlaufen und sich nicht im geringsten miteinander vermischen. Der Effekt des Ringes aus wirbelnden Gasen nahe der Zylindergrenzfläche besteht darin, den inneren Wirbel der brennbaren Mischung zur Zylindermitte wandern zu lassen, so daß mit einer zentral angeordneten Zündkerze eine zuverlässige Zündung erzielt werden kann.
Wenn Ladungsschichtung nicht benötigt wird, steuert man den inneren Wirbel so, daß er eine höhere Winkelgeschwindigkeit als der ihn umgebende Wirbel besitzt. Dies führt zu verstärkter Vermischung zwischen den zwei Flüssen an ihrer gemeinsamen Grenze, um eine homogene Ladung zu produzieren.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung, das nicht dem bisherigen Stand der Technik entspricht, liegt in der Fähigkeit, die Stabilität des wirbelnden Systems im Motorzylinder zu steuern, indem der relative Drehimpuls an der Grenze zwischen dem inneren Wirbel und dem umgebenden Wirbel gesteuert wird. Bei der Abwesenheit spezieller Vorrichtungen im zweiten Einlaßkanal, um intern Wirbel zu erzeugen, wird kein anfänglicher Wirbel im Fluß von diesem Kanal induziert, und dieser Fluß muß anschließend durch die Scherkräfte infolge von Impulsaustausch mit dem umgebenden Wirbel zur Rotation mitgerissen werden. Diese Bedingung ist instabil, und sie bewirkt Durchmischung und die Zerstörung der Schichtung. Wenn andererseits der spiralförmige Kanal als zweiter Einlaßkanal dient und im Bereich zwischen den zwei Flüssen der Wirbel aus dem spiralförmigen Kanal im wesentlichen denselben Drehimpuls wie der umgebende Wirbel vom tangentialen Kanal besitzt, dann ist der Wirbel stabil und die rotierende Ladung vom spiralförmigen Kanal bleibt intakt und wandert zur Mitte des Zylinders hin, womit eine stabile und wohldefinierte Schichtung sichergestellt wird.
Ebenso kann jeder Temperaturunterschied zwischen den beiden Flüssen, beispielsweise wenn heiße rückgeführte Abgase in den umgebenden Wirbel eingespeist werden, aufgrund des Dichteunterschieds zu Instabilität führen. Die kälteren, dichteren Gase im inneren Wirbel können dazu neigen, nach außen zu wandern, und die heißeren, weniger dichten Gase im umgebenden Wirbel können dazu neigen, nach innen zu wandern, was wiederum Vermischung hervorruft und die Schichtung zerstört. Dieser Effekt kann in der vorliegenden Erfindung neutralisiert werden, indem durch den spiralförmigen Kanal ein langsamerer Wirbel von kalten Gasen erzeugt wird, die in einem relativ dazu schnelleren Wirbel heißer Gase aus dem tangentialen Kanal rotieren, so daß im Bereich zwischen den beiden Flüssen ihr Drehimpuls im wesentlichen übereinstimmt.
Wenn bei hohen Motorlasten eine homogene Ladung benötigt wird, steuert man den Wirbel vom spiralförmigen Kanal so, daß er schneller als der umgebende Wirbel aus dem tangentialen Kanal rotiert. Dieser Wirbel ist wiederum instabil und neigt dazu, sich zu den äußeren Bereichen des Zylinders hin auszubreiten, wodurch er eine gute Durchmischung im Zylinder fördert, obwohl Kraftstoff nur durch den spiralförmigen Kanal eingebracht wird. In diesem Fall ist der Hauptanteil der Bewegung im Zylinder immer noch eine wirbelnde, während in Systemen nach dem bekannten Stand der Technik der Hauptanteil der Bewegung Umwälzung ist, wenn beide Einlaßkanäle voll geöffnet sind.
Somit stellt die Erfindung automatisch und kontrolliert einerseits eine gute Schichtung bei Niedriglastbetrieb und andererseits instabile Rotation für eine gute Durchmischung bei Hochlastbetrieb bereit. Ersteres erlaubt Niedriglastbetrieb mit einem höheren Grad an Ladungsschichtung im Vergleich zu Systemen nach dem bekannten Stand der Technik, was noch niedrigeren Kraftstoffverbrauch und geringere NOX-Emissionen ergibt. Letzteres erlaubt Vollastbetrieb mit besserer Luftausnutzung als in Systemen nach dem bekannten Stand der Technik, was höhere Motorleistung ergibt, ohne eine gesonderte oder zusätzliche Kraftstoffzufuhr zu benötigen. Es gibt zusätzlich zu den oben beschriebenen noch andere Verfahren, um eine einleitende Rotation im zweiten Einlaßkanal einzubringen. Beispielsweise können Teile des in den zweiten Einlaßkanal angesaugten Flusses tangential an die Wand des Kanals gerichtet werden, um Wirbel im Kanal zu induzieren. Alternativ kann ein frei drehendes Laufrad im Kanal bereitgestellt werden, und dieses Laufrad kann sogar mit einem Elektromotor angetrieben werden.
Die Vorrichtung, um Treibstoff in den inneren Wirbel einzubringen, kann ein zentrales Kraftstoffzuführungssystem (Vergaser oder zentrale Kraftstoffeinspritzung) beinhalten, um eine zuvor vorbereitete Mischung aus Kraftstoff und Luft dem zweiten Einlaßkanal zuzuführen, oder sie kann ein Kanaleinspritzsystem umfassen, um Kraftstoff getrennt in jeden der zweiten Einlaßkanäle einzuspritzen. Als eine weitere Alternative kann der Kraftstoff entlang der Achse des aus dem zweiten Einlaßkanal ausströmenden Wirbels direkt in den Zylinder eingespritzt werden. Die Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung in den Einlaßkanal oder in die Verbrennungskammer kann so gesteuert werden, daß sie jeweils gegen Ende des Ansaughubs oder gegen Ende des Verdichtungshubs stattfindet, um den Grad der Ladungsschichtung weiter zu verstärken.
Im Einklang mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Einlaßsystem für einen Ottomotor des Typs mit einem Einlaßventil pro Zylinder bereitgestellt, wobei das Einlaßsystem aus zwei Einlaßkanälen pro Zylinder besteht und beide Einlaßkanäle mit einem gemeinsamen Einlaßventil verbunden sind, und wobei jeder Kanal durch nebeneinander liegende Seiten des Ventils entlädt und einer der Einlaßkanäle so geformt ist, daß er einen ersten Fluß tangential zur äußeren Peripherie des Zylinders richtet, und der andere Einlaßkanal so geformt ist, daß er einen zweiten, wirbelnden Fluß auf die Mitte des Zylinders richtet, wobei der zweite, wirbelnde Fluß denselben Drehsinn wie der erste Fluß besitzt und ferner eine Vorrichtung bereitgestellt ist, um Kraftstoff in den zweiten, wirbelnden Fluß einzuführen, wodurch im Zylinder eine radial geschichtete Ladung erzeugt wird, in der eine brennbare Mischung nahe der Zylindermitte konzentriert ist, und eine Vorrichtung bereitgestellt ist, um unabhängig die Durchflußraten durch die zwei Einlaßkanäle zu variieren, wobei der relative Drehimpuls der zwei Flüsse an der Grenze zwischen den zwei Flüssen im Zylinder den Grad der Durchmischung zwischen den zwei Flüssen bestimmt, wobei die Durchmischung bewirkt, daß der Grad der Ladungsschichtung im Zylinder verringert wird.
In diesem zweiten Aspekt unterscheidet sich die Erfindung von der aus der britischen Patentanmeldung Nr. 9425312.7 insoweit, als die zwei Einlaßkanäle so konstruiert sind, daß sie durch aneinanderliegende Seiten eines gemeinsamen Einlaßventils entladen und gleichzeitig zwei verschiedene und unabhängig voneinander steuerbare Wirbel erzeugen, deren Achsen parallel zur Zylinderachse verlaufen. Der erste, äußere Wirbel resultiert aus der Wechselwirkung des Flusses durch den ersten Einlaßkanal, der aus der ersten Seite des Einlaßventils austritt, mit der Zylindergrenzfläche. Der zweite, innere Wirbel wird gezielt durch den inneren Entwurf des zweiten Einlaßkanals selbst erzeugt, der von der anderen Seite des Einlaßventils entlädt.
Dieser innere Wirbel kann durch das Ansaugen eines Teils des Einlaßflusses in den zweiten Einlaßkanal durch ein Rohr, das tangential zur Wand des Einlaßkanals ausgerichtet ist, erzeugt werden, um Wirbel im Fluß im Kanal zu erzeugen. Auf diese Weise kann radiale Schichtung erreicht werden, in der eine brennbare Mischung entlang der Zylinderachse und Luft ohne Brennstoff, oder rückgeführte Abgase, um die äußere Peripherie des Zylinders konzentriert sind. In diesem Fall werden die zwei Wirbel so gesteuert, daß sie im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit umlaufen und sich nicht im geringsten miteinander vermischen. Der Effekt des wirbelnden Gasrings nahe der Zylindergrenzfläche besteht darin, den inneren Wirbel der brennbaren Mischung zur Zylindermitte wandern zu lassen, so daß mit einer zentral angeordneten Zündkerze eine zuverlässige Zündung erzielt werden kann. Wenn keine Ladungsschichtung benötigt wird, steuert man den inneren Wirbel so, daß er einen höheren Drehimpuls als der ihn umgebende Wirbel besitzt. Dies führt zu verstärkter Vermischung zwischen den zwei Flüssen an ihrer gemeinsamen Grenze, um eine homogene Ladung zu produzieren.
Somit sorgt die Erfindung automatisch und kontrolliert für eine gute Schichtung für den Niedriglastbetrieb und für gute Durchmischung für den Hochlastbetrieb, wobei ersteres einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und geringere NOX Emissionen und letzteres eine höhere Motorleistung ergibt.
Vorzugsweise besitzt der zweite Einlaßkanal einen runden Querschnitt, der sich so weit wie möglich zur Ventilspindel des Einlaßventils erstreckt, so daß der induzierte Wirbel im Kanal erhalten bleibt, bevor er durch die ihm zugeordnete Seite des Einlaßventils ausströmt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 eine schematische Darstellung eines Einlaßsystems einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen Motor mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder ist;
Abb. 2 eine Ansicht gleich der in Abb. 1 ist, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung für einen Motor mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder zeigt, und
Abb. 3 ein schematisches Diagram ist, das ein Einlaßsystem für einen Motor mit einem Einlaßventil pro Zylinder zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Abb. 1 zeigt einen Zylinder 2 mit zwei Auslaßventilen 4 und 6, einer Zündkerze 8 und zwei Einlaßventilen 10 und 20. Das erste Einlaßventil 10 besitzt einen Einlaßkanal 12 mit einem Flußregelventil 16. Das zweite Einlaßventil 20 besitzt einen Wirbelkanal 21 mit einem gesonderten Flußregelventil 26. Kraftstoff wird durch die Düse 28 nur in den zweiten Einlaßkanal oder Einlassöffnung 21 eingespritzt. Der erste Einlaßkanal 12 ist konstruiert, um die eingelassene Ladung tangential in die Verbrennungskammer zu richten. Dazu kann ein Schirm- oder Umlenkblech in den Kanal 12 eingebaut werden, um die Ausrichtung des Flusses der Ladung auf die Zylindergrenzfläche zu unterstützen. Die durch den ersten Einlaßkanal 12 angesaugte Ladung wirbelt somit gegen den Uhrzeigersinn bezüglich der Verbrennungskammer, wobei sie nahe der Zylindergrenzfläche bleibt. Der zweite Einlaßkanal 21 ist entsprechend angeordnet, um die Ladung in die Zylindermitte einzuleiten, und diese Ladung wirbelt ebenso gegen den Uhrzeigersinn in der gleichen Richtung wie die Bahn der ersten Ladung, die durch den ersten Einlaßkanal 12 angesaugt wird. Jedoch wird die wirbelnde Bewegung der zweiten Ladung nun nicht durch den Kontakt der Ladung mit der Zylindergrenzfläche erzeugt, sondern durch den inneren Entwurf des zweiten Einlaßkanals selbst. Im Falle von Abb. 1 ist die wirbelnde Bewegung das Resultat der Form des Einlaßkanals, der die angesaugte Ladung nur auf eine Seite des Einlaßventils 20 richtet und normalerweise als spiralförmiger Kanal bezeichnet wird.
Abb. 2 zeigt Alternativen zu dieser Konstruktion, die auch einen Wirbel in der angesaugten Ladung im Kanal erzeugen. Das Ventil 20 besitzt auf der hinteren Fläche seiner Verkleidung Schaufeln 23, die so geformt sind, daß sie eine Ladung in der gewünschten Art und Weise wirbeln lassen. Auch kann ein Teil der zweiten eingelassenen Ladung durch ein Rohr 24 angesaugt werden, das tangential zur Oberfläche des zweiten Einlaßkanals 22 ausgerichtet ist, was einen spiralförmigen Fluß der Ladung im Kanal bewirkt, bevor er das Einlaßventil 20 erreicht. In allen Ausführungsformen der Erfindung führen die zwei Einlaßventile stets zwei getrennte, wirbelnde Ladungen zu, wobei die Ladung vom zweiten Einlaßkanal innerhalb der Ladung vom ersten Einlaßkanal liegt und in der gleichen Richtung rotiert. Die Rotationsgeschwindigkeit der zwei Ladungen an ihrer gemeinsamen Grenze kann durch die Flußregelventile 16 und 26 variiert werden. Wenn die beiden Geschwindigkeiten gleich sind, dann wird wenig Durchmischung zwischen den zwei Flüssen stattfinden und eine radial geschichtete Ladung erreicht, wobei der Kraftstoff in der Zylindermitte in der Nähe der Zündkerze 8 liegt, wo er leicht gezündet werden kann.
Dieser Zustand wird bei Niedriglastbetrieb verwendet, bei dem Luft, die keinen Kraftstoff enthält, oder Abgase durch den ersten Einlaßkanal 12 angesaugt werden. Die Mischung, die durch den zweiten Einlaßkanal 21 oder 22 angesaugt wird, kann nun eine stöchiometrische sein, obwohl die Gesamtladung aufgrund der Ladungsschichtung stark verdünnt ist.
Wenn die Last zunimmt, werden mehr Kraftstoff und Luft durch den zweiten Einlaßkanal eingeführt, aber die wirbelnde Geschwindigkeit der zweiten eingelassenen Ladung wird bezüglich jener der ersten eingelassenen Ladung erhöht, so daß Durchmischung an der Grenze zwischen den beiden Ladungen stattfindet, um den Radius, in dem Kraftstoff verteilt ist, progressiv zu vergrößern. Die Steuerung der wirbelnden Geschwindigkeiten der zwei Ladungen wird durch aufeinander synchronisiertes Variieren der beiden Flußregelventile 16 und 26 in Abhängigkeit von der Motorlast erreicht.
Das Einlaßsystem kann Krümmerzweige haben, die gemeinsam zu den beiden Einlaßkanälen 12 und 21 führen, oder getrennte Zweige, die von einer gemeinsamen Plenumkammer aus zu den Einlaßkanälen führen. Als eine weitere Alternative können zwei gesonderte Plenumkammern und gesonderte Sätze von Zweigen für jeden Satz von Einlaßkanälen vorgesehen werden, jeder dieser Krümmer mit seinem eigenen Einlaßflußregelventil.
Das Kraftstoffversorgungssystem muß kein Kraftstoffversorgungssystem mit Kanaleinspritzung sein, wie in den beiden Abbildungen dargestellt ist; es ist alternativ möglich, einen Vergaser, ein zentrales, mit dem zweiten Einlaßkanal verbundenes Kraftstoffversorgungssystem oder Direkteinspritzung im Zylinder zu verwenden, mit der der Kraftstoff gezielt direkt in das Zentrum der Verbrennungskammer eingeleitet wird. Die Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung kann auch zur Verbesserung der Ladungsschichtung beitragen.
Abb. 3 zeigt einen Motorzylinder 102 mit Auslaßventil 106, einer Zündkerze 108 und einem Einlaßventil 110. Zwei Einlaßkanäle 114, 116 mit jeweiligen Flußregelventilen 120, 122 sind mit dem Einlaßventil 110 verbunden, wobei jeder Kanal durch nebeneinander liegende Seiten des Einlaßventils 110 entlädt. Kraftstoff wird mittels eines Kraftstoffinjektors 128 nur in den zweiten Einlaßkanal 116 eingespritzt.
Der erste Einlaßkanal 114 ist entworfen, um eine erste eingelassene Ladung durch eine Seite des Einlaßventils 110 tangential in der Verbrennungskammer auszurichten, womit ein Wirbel entgegen dem Uhrzeigersinn bezüglich der Verbrennungskammer erzeugt wird, der in der Nähe der Zylindergrenzfläche bleibt. Der zweite Einlaßkanal 116 ist so angeordnet, daß er eine zweite Einlaßladung durch die andere Seite des Einlaßventils in die Zylindermitte einleitet, und auch diese Ladung wirbelt gegen den Uhrzeigersinn in der gleichen Richtung wie die Bahn der ersten Ladung, die durch den ersten Einlaßkanal 114 angesaugt wird. Jedoch wird nun die wirbelnde Bewegung der zweiten Ladung nicht durch den Kontakt der Ladung mit der Zylindergrenzfläche erzeugt, sondern durch den inneren Entwurf des zweiten Einlaßkanals 116 selbst. Dieser innere Wirbel wird durch das Ansaugen eines Teils des angesaugten Flusses in den zweiten Einlaßkanal 116 durch ein Rohr 124 erzeugt, das tangential zur Wand des zweiten Einlaßkanals ausgerichtet ist, um einen spiralförmigen Fluß der Ladung im Kanal 116 zu induzieren, bevor diese das Einlaßventil 110 erreicht.
In dieser Ausführungsform führen die zwei Einlaßkanäle 114, 116 stets zwei getrennte wirbelnde Ladungen in den Zylinder durch aneinanderliegende Seiten des Einlaßventils 110 ein, wobei die Ladung aus dem zweiten Einlaßkanal 116 innerhalb der Ladung des ersten Kanals 114 liegt und in der gleichen Richtung rotiert. Die Rotationsgeschwindigkeit der beiden Ladungen an ihrer gemeinsamen Grenze im Zylinder kann durch die Flußregelventile 120, 122 variiert werden.
Wenn die beiden Geschwindigkeiten gleich sind, dann gibt es wenig Vermischung zwischen den zwei Flüssen und es wird eine radial geschichtete Ladung erreicht, wobei der Kraftstoff in der Zylindermitte in der Nähe der Zündkerze 108 liegt, wo er leicht gezündet werden kann.
Dieser Zustand wird bei Niedriglastbetrieb verwendet, bei dem Luft, die keinen Kraftstoff enthält, oder Abgase durch den ersten Einlaßkanal 114 angesaugt werden. Die Mischung, die durch den zweiten Einlaßkanal 116 angesaugt wird, kann nun eine stöchiometrische sein, obwohl die Gesamtladung im Zylinder aufgrund der Ladungsschichtung stark verdünnt ist.
Wenn die Last zunimmt, werden mehr Kraftstoff und Luft durch den zweiten Einlaßkanal 116 eingeführt, aber die wirbelnde Geschwindigkeit der zweiten eingelassenen Ladung wird bezüglich jener der ersten eingelassenen Ladung erhöht, so daß Vermischung an der Grenze zwischen den beiden Ladungen stattfindet, um den Radius, in dem Kraftstoff verteilt ist, progressiv zu vergrößern. Die Steuerung der wirbelnden Geschwindigkeiten der zwei Ladungen wird durch das aufeinander synchronisierte Variieren der beiden Flußregelventile 120, 122 in Abhängigkeit von der Motorlast erreicht.
Vorzugsweise besitzt der zweite Einlaßkanal 116 einen runden Querschnitt, wobei die Wand 118, die die zwei Einlaßkanäle trennt, sich so weit wie möglich zur Ventilspindel 122 des Einlaßventils 110 erstreckt, so daß der induzierte Wirbel im Kanal 116 erhalten bleibt, bevor er durch die ihm zugeordnete Seite des Einlaßventils 110 entladen wird.
Das Einlaßsystem kann Krümmerzweige haben, die gemeinsam zu den beiden Einlaßkanälen 114, 116 führen, oder getrennte Zweige, die von einer gemeinsamen Plenumkammer aus zu den Einlaßkanälen führen. Als eine weitere Alternative können zwei gesonderte Plenumkammern und gesonderte Sätze von Zweigen für jeden Satz von Einlaßkanälen bereitgestellt sein, jeder dieser Krümmer mit seinem eigenen Einlaßflußregelventil.
Das Kraftstoffversorgungssystem muß nicht, wie dargestellt, ein Kraftstoffversorgungssystem mit Kanaleinspritzung sein; es ist alternativ möglich, einen Vergaser oder ein zentrales, mit dem zweiten Einlaßkanal 116 verbundenes Kraftstoffversorgungssystem oder Direkteinspritzung im Zylinder zu verwenden, mit der der Kraftstoff gezielt direkt in das Zentrum der Verbrennungskammer eingeleitet wird.

Claims

1. Ein Einlaßsystem für einen Ottomotor des Typs mit zwei Einlaßventilen (10, 20) pro Zylinder, wobei das Einlaßsystem zwei Einlaßkanäle (12, 21) pro Zylinder umfaßt, die beide einem entsprechendem Einlaßventil (10, 20) zugeordnet sind, und einer der Einlaßkanäle (12) so geformt ist, daß er einen ersten Fluß tangential an die äußere Peripherie des Zylinders (2) richtet, und der andere Einlaßkanal (21) so geformt ist, daß er einen zweiten, wirbelnden Fluß auf die Mitte des Zylinders richtet, wobei der zweite, wirbelnde Fluß dieselbe Rotationsrichtung wie der erste Fluß besitzt und das System eine Vorrichtung (28) umfaßt, um Kraftstoff in den zweiten, wirbelnden Fluß einzuführen, wodurch im Zylinder eine radial geschichtete Ladung erzeugt wird, in der eine brennbare Mischung nahe der Zylindermitte konzentriert ist, und Vorrichtungen (16, 26) bereitgestellt sind, um die Durchflußraten durch die zwei Einlaßkanäle (12, 21) unabhängig zu variieren, um den Grad der Schichtung der Ladung im Zylinder zu verändern.

2. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 1, worin der zweite Einlaßkanal (21) ein spiralförmiger Kanal ist, um Wirbel in der eingelassenen Ladung im Kanal zu erzeugen.

3. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 1, worin der zweite Einlaßkanal (22) mit Schaufeln (23) ausgestattet ist, um Wirbel in der eingelassenen Ladung im Kanal zu erzeugen.

4. Ein Einlaßsystem nach Anspruch. 1, worin der zweite Einlaßkanal (22) mit Schaufeln (23) ausgestattet ist, die auf der Rückseite des Einlaßventiltellers (20) angebracht sind, um Wirbel in der eingelassenen Ladung zu erzeugen, wenn diese den Kanal verläßt.

5. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 1, worin der zweite Einlaßkanal (22) durch mindestens eine Röhrenleitung (24) versorgt wird, die einen Teil des zweiten Einlaßflusses tangential nahe dem Umfang der Kanalwand zuführt, um Wirbel in der eingelassenen Ladung im Kanal zu erzeugen.

6. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die ersten und zweiten Einlaßkanäle einer Motorzylinderreihe über Zweige eines Ansaugkrümmers mit einer gemeinsamen Plenumkammer verbunden sind, wobei einzelne Flußregelventile (16, 26) bereitgestellt sind, um den Fluß durch jeden zweiten Einlaßkanal zu regeln, und ein gemeinsames Flußregelventil bereitgestellt ist, um den in die Plenumkammer angesaugten Gesamtfluß zu regeln.

7. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der Ansprüche von 1 bis 5, worin die ersten Einlaßkanäle einer Motorzylinderreihe über Zweige eines ersten Ansaugkrümmers mit einem ersten Plenumkammer verbunden sind, wobei die zweiten Einlaßkanäle der Zylinderreihe über Zweige eines zweiten Ansaugkrümmers mit einer zweiten Plenumkammer verbunden sind und gesonderte Flußregelventile bereitgestellt sind, um die Flüsse, die in die jeweiligen Plenumkammern angesaugt werden, zu regeln.

8. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 6 oder 7, worin die ersten und zweiten Flußregelventile zum synchronisierten Betrieb in Abhängigkeit von der Motorlast mechanisch gekuppelt sind.

9. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vorrichtung umfaßt, um Kraftstoff in den zweiten Einlaßfluß einzubringen, indem eine vorgemischte Kraftstoff- und Luftmischung dem zweiten Einlaßkanal zugeführt wird.

10. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der Ansprüche von 1 bis 8, das eine Vorrichtung (28) umfaßt, um Kraftstoff in den zweiten Einlaßfluß einzubringen, indem Kraftstoff in den zweiten Einlaßkanal eingespritzt wird.

11. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 10, worin die Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung so gesteuert wird, daß sie gegen Ende des Ansaughubs stattfindet.

12. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der Ansprüche von 1 bis 8, das eine Vorrichtung umfaßt, um Kraftstoff in den zweiten Einlaßfluß einzubringen, indem Kraftstoff in die Verbrennungskammer entlang der Achse des vom zweiten Einlaßkanal ausfließenden Wirbels direkt eingespritzt wird.

13. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 12, worin die Synchronisation der Kraftstoffeinspritzung so gesteuert wird, daß sie gegen Ende des Verdichtungshubs stattfindet.

14. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Vorrichtung umfaßt, um den Luftfluß durch den zweiten Einlaßkanal zu dosieren und Kraftstoff im Verhältnis zum dosierten Luftfluß einzubringen.

15. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 14, worin das dosierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis im zweiten Einlaßfluß ein stöchiometrisches ist.

16. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Gasfluß durch den ersten Einlaßkanal keinen Kraftstoff enthält.

17. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 16, worin der Gasfluß durch den ersten Einlaßkanal Abgase einschließt, die aus dem Abgassystem des Motors angesaugt werden.

18. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Einlaßkanal ein Schirm- oder Flußablenkblech umfaßt, die so geformt sind, daß der Wirbel in der Verbrennungskammer verstärkt wird, wenn der aus dem Kanal entladene Fluß mit der Zylinderwand in Wechselwirkung tritt.

19. Ein Einlaßsystem nach irgendeinem der Ansprüche von 1 bis 17, worin der erste Einlaßkanal ein spiralförmiger Kanal ist.

20. Ein Einlaßsystem für einen Ottomotor des Typs mit einem Einlaßventil (110) pro Zylinder, wobei das Einlaßsystem zwei Einlaßkanäle (114, 116) pro Zylinder (102) einschließt und beide Einlaßkanäle (114, 116) mit einem gemeinsamen Einlaßventil (110) verbunden sind, wobei jeder der Einlaßkanäle durch benachbarte Seiten des Einlaßventils (110) entlädt und einer der Einlaßkanäle (114) so geformt ist, daß er einen ersten Fluß tangential an die äußere Peripherie des Zylinders (102) richtet, und der andere Einlaßkanal (116) so geformt ist, daß er einen zweiten, wirbelnden Fluß auf die Mitte des Zylinders richtet, und der zweite, wirbelnde Fluß dieselbe Rotationsrichtung wie der erste Fluß besitzt, und das System ferner eine Vorrichtung (128) umfaßt, um Kraftstoff in den zweiten, wirbelnden Fluß einzuführen, wodurch im Zylinder eine radial geschichtete Ladung erzeugt wird, in der eine brennbare Mischung nahe der Zylindermitte konzentriert ist, und Vorrichtungen (120, 122) bereitgestellt sind, um unabhängig die Durchflußraten durch die zwei Einlaßkanäle zu variieren, wobei der relative Drehimpuls der zwei Flüsse an der Grenze zwischen den beiden Flüssen im Zylinder den Grad der Durchmischung zwischen den beiden Flüssen bestimmt, und die Durchmischung dazu dient, den Grad der Ladungsschichtung im Zylinder zu verringern.

21. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 20, worin der zweite Einlaßkanal (116) durch mindestens eine Röhrenleitung (124) versorgt wird, die einen Teil des zweiten Einlaßflusses tangential nahe dem Umfang der Kanalwand zuführt, um Wirbel in der eingelassenen Ladung im Kanal zu erzeugen.

22. Ein Einlaßsystem nach Anspruch 20 oder 21, worin der zweite Einlaßkanal (116) einen runden Querschnitt besitzt, der sich soweit wie möglich zur Ventilspindel des Einlaßventils (110) hin erstreckt.