DE69712524T2

DE69712524T2 - Ansaugsystem für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69712524T2
Application number: DE69712524T
Authority: DE
Inventors: Tsoi Ma
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: EP0956444A1; DE69712524D1; EP0956444B1; US6167865B1; GB9625949D0; WO1998026175A1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wenigstens einem Einlaßventil pro Zylinder und einer zum Einlaßventil führenden Ansaugöffnung, wobei das Ansaugsystem einen Ansaugkrümmer mit einem Sammelraum aufweist, der über eine Hauptdrosselklappe mit der Umgebungsluft in Verbindung steht und mehrere Zweigleitungen hat, die jeweils vom Sammelraum aus zu je einer Einlaßöffnung eines entsprechenden Zylinders führen.

Hintergrund der Erfindung

In Abgasrückführungssystemen (AGR) ist es bekannt, ein verbessertes dynamisches Ansprechverhalten auf plötzliche Änderungen des AGR-Mengenstromes zu erzielen, indem die AGR-Gase direkt in jede Einlaßöffnung geleitet werden, und der Förderverzug durch den Sammelraum und die Zweigleitungen des Ansaugkrümmers vermieden wird, der bei herkömmlichen AGR-Anlagen feststellbar ist. Solche Systeme werden bisweilen als "Einlaßöffnungs-AGR" bezeichnet. Ein Nachteil von Einlaßöffnungs-AGR ist die erhöhte Gefahr einer instabilen Verbrennung, weil ein wesentliches Segment der Ansaugkrümmer-Zweigleitung während eines großen Teiles des Motorzyklus mit AGR-Gasen nachgefüllt wird, so daß in der Zweigleitung eine geschichtete Ladungssäule erzeugt wird, die dadurch entsteht, daß Gas durch den herrschenden Saugrohr- Unterdruck kontinuierlich angesaugt und über die Länge der Zweigleitung gespeichert wird, solange das zugehörige Einlaßventil geschlossen ist. Beim Ansaugtakt wird dann diese Säule, die erst ein langes AGR-Gassegment enthält, bevor Ansaugluft folgt, sukzessiv in den Motorzylinder gesaugt, und sofern die Charge im Brennraum nicht innig gemischt wird, können einzelne AGR-Gastaschen zurückbleiben, die eine instabile Verbrennung zur Folge haben.
Auch ist vorgeschlagen worden, die Stabilität der Verbrennung dadurch zu verbessern, daß die Schichtung der Luft und der AGR-Gase gesteuert wird. WO 95/22687 erreicht eine Ladungsschichtung dadurch, daß AGR-Gase als Gassäule in einer Zweigleitung des Ansaugkrümmers gespeichert werden. Die AGR-Gase und Luft treten nacheinander in den Brennraum ein, so daß die Charge bzw. Ladung geschichtet wird, wobei die zuerst in den Zylinder eintretenden AGR-Gase am Boden des Zylinders konzentriert sind, und die zuletzt eintretende Luft oben konzentriert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Motor, in welchem ein Gasstrom wie z. B. AGR-Gase oder Kraftstoffdampf als Gassäule im Ansaugkrümmer gespeichert wird, um dann getrennt von der Hauptcharge in den Zylinder gesaugt Zu werden und so eine geschichtete Ladung im Motorbrennraum zu bilden.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern gestellt, mit wenigstens einem Einlaßventil pro Zylinder und einer zu dem Einlaßventil führenden Einlaßöffnung, wobei das Einlaßsystem einen Ansaugkrümmer mit einem Sammelraum enthält, der über eine Hauptdrosselklappe mit der Umgebungsluft in Verbindung steht und mehrere Zweigleitungen aufweist, die jeweils vom Sammelraum zu einer Einlaßöffnung je eines der Motorzylinder führen, sowie mehrere Speicherrohre, die jeweils parallel zu den Zweigleitungen des Ansaugkrümmers mit je einer dieser Zweigleitungen verbunden sind, wobei jedes Speicherrohr an einem Ende im Sammelraum mündet und am anderen Ende in der entsprechenden Einlaßöffnung mündet, und mehrere Nebenleitungen, welche eine Nebengasquelle mit einem Punkt entlang des. Speicherrohres verbinden, wobei die Position entlang des Speicherrohres derart gewählt ist, daß, wenn das zugehörige Einlaßventil geschlossen ist, Gas aus der Nebengasquelle durch den Ansaugkrümmerunterdruck nur in das Speicherrohr gesaugt wird, so daß, wenn das zugehörige Einlaßventil dann geöffnet wird, Luft aus der Zweigleitung des Ansaugkrümmers und in dem Speicherrohr gespeichertes Gas aus der Nebengasquelle als parallele Ströme in den Zylinder eintreten, so daß sie in dem Zylinder geschichtete Bereiche von Luft und von aus der Nebenquelle stammendem Gas bilden.
Die Nebenquelle kann entweder eine Leitung sein, die mit der Auspuffanlage verbunden ist, so daß sie AGR-Gase an die Zylinder liefert, oder sie kann eine Kraftstoffdampfquelle sein, die Kraftstoffdämpfe aus dem Kraftstofftank für den Motor liefert, ein mit dem Leerraum des Kraftstofftanks in Verbindung stehender Dampfspeicherbehälter, oder ein Kraftstoffdampf-Abzugssystem, das den dem Motor zugeführten Kraftstoff in einen Flüssiganteil und einen Dampfanteil trennt.
Bei ihrer Anwendung zur Rückführung von Abgasen kann die vorliegende Erfindung als Abwandlung derjenigen aus der WO 95/ 22687 angesehen werden und unterscheidet sich davon dadurch, daß die AGR-Gase in getrennten Leitungen gespeichert werden und gleichzeitig mit und parallel zu der Luft aus den Zweigleitungen des Ansaugkrümmers in den Zylinder einströmen. Dadurch ist eine überlegene Art von Ladungsschichtung erreichbar, die den Verdichtungshub des Kolbens besser übersteht. In der bisherigen Technik neigen die Gase, obwohl sie gegen Ende des Ansaughubes vertikal (oder axial) geschichtet sind, dazu, sich gegen Ende des Verdichtungshubes miteinander zu vermischen. Die vorliegende Erfindung dagegen erlaubt eine radiale oder seitliche Schichtung der Charge, in welcher die wirbelnden Gase auch nach der Verdichtung in derselben relativen Lage zueinander verbleiben.
Die gleichen Erwägungen der Erhaltung einer verbesserten Ladungsschichtung selbst im Verdichtungshub treffen auch auf Motoren zu, bei welchen die Nebengaszufuhr eine Kraftstoffdampfquelle ist, die dazu gedacht ist, eine leicht zündfähige Gemischwolke zu liefern, die zum Zeitpunkt der Zündung in der Nähe der Zündkerzen-Funkenstrecke liegt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Nebengaszufuhr eine AGR-Versorgung ist, und
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Nebenzufuhr eine Kraftstoffdampfzufuhr ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen

In Fig. 1 hat eine als fremdgezündeter Motor dargestellte Brennkraftmaschine 10 vier Zylinder, die je ein Einlaßventil 12, ein Auslaßventil 18 und eine Zündkerze 16 aufweisen. Das Einlaßventil 12 wird von einer Einlaßöffnung 14 mit Luft versorgt, die über eine Rohrleitung 15 mit einem Sammelraum 22 des Ansaugkrümmers verbunden ist. Der Sammelraum 22 steht über eine Hauptdrosselklappe 24 in herkömmlicher Weise, mit der Umgebungsluft in Verbindung.
Jede Leitung 15 wird durch eine Wand 17 in zwei Kanäle 20 und 30 geteilt. Die Kanäle 20 sind Zweigleitungen des Ansaugkrümmers, und die Kanäle 30 wirken als Speicherleitungen für AGR-Gase, wie nachstehend noch beschrieben werden soll.
Jede Speicherleitung 30 ist parallel zu einer entsprechenden Einlaßzweigleitung 20 mit dieser verbunden und mündet an einem Ende 34 im Sammelraum 22 und am anderen Ende 32 an der Einlaßöffnung 14. Zwischen den Enden 32 und 34 sind die Speicherleitungen mit AGR-Leitungen 36 verbunden, welche von einem AGR- Sammelraum 38 abzweigen, der wiederum mit einem AGR-Regelventil 44 und einer Leitung 42 zum Auslaßkrümmer 40 des Motors 10 in Verbindung steht. Die Leitungen 36 sind zwar näher an den Enden 32 der Speicherleitungen 30 angeschlossen, die in der Einlaßöffnung münden, sie sind jedoch zu denjenigen Enden 34 hin geneigt, die im Sammelraum 22 münden.
Zur Erleichterung der Bezugnahme werden die Zylinder von 1 bis 4 durchnumeriert, angefangen mit dem obersten Zylinder in der Zeichnung. Der Motor ist mit dem Zylinder 1 im Auslaßtakt, mit Zylinder 2 im Ansaugtakt, mit Zylinder 3 im Arbeitstakt und mit Zylinder 4 im Verdichtungstakt dargestellt. Zylinder 2 hat ein offenes Einlaßventil, und es wird Luft in diesen Zylinder gesäugt, so daß im Sammelraum 22 ein Teilunterdruck erzeugt wird. Alle anderen Einlaßventile sind während dieser Zeit geschlossen. Durch den Unterdruck im Sammelraum 22 werden AGR-Gase während drei der vier Takte je Zylinder, wenn die Einlaßventile geschlossen sind, aus der AGR-Leitung 36 in die Speicherleitungen 30 für die Zylinder 1, 3 und 4 gesaugt, wobei die AGR-Gase in die Speicherleitung 30 gesaugt und dort gespeichert werden, wie es die schattierten Bereiche in der Zeichnung darstellen. Die Länge der Speicherleitung 30 sollte ausreichend sein, zu gewährleisten, daß die AGR-Gase nie in den Sammelraum 22 oder in die Ansaug-Zweigleitungen 20 überlaufen, wenn das Einlaßventil des zugehörigen Zylinders geschlossen ist.
Sobald sich das Einlaßventil öffnet, wie im Falle des dargestellten Zylinders 2, treten die gespeicherten AGR-Gase aus der Speicherleitung 30 sowie Luft aus der Ansaugkrümmer-Zweigleitung 20 gleichzeitig und parallel zueinander in den Zylinder ein, wobei die dargestellte Geometrie so konstruiert ist, daß sie eine Wirbel- bzw. radiale Schichtung im Zylinder fördert; sie kann aber alternativ dazu auch so konstruiert sein, daß sie eine Taumel- bzw. seitliche Schichtung fördert. Wenn die gespeicherten AGR-Gase aufgebraucht sind, treten AGR-Gase direkt aus der AGR-Leitung 36 in den Zylinder ein, wie es für Zylinder 2 dargestellt ist.
Es ist also erkennbar, daß durch Speichern von AGR-Gasen und Einleiten derselben in die Zylinder zur gleichen Zeit wie die Frischluft jede gewünschte Form von Ladungsschichtung erzielt werden kann, und daß man nicht auf axiale oder vertikale Schichtung beschränkt ist, wie sie WO 95/22687 beschreibt.
Das AGR-Regelventil 44 steuert den Mengenstrom, mit welchem AGR-Gase aus dem Auslaßsystem abgesaugt werden, und bestimmt damit den Grad der Verdünnung durch AGR-Gas im Zylinder. Wenn das AGR-Ventil 44 vollständig geschlossen ist, fließt kein AGR- Gas, und die Speicherleitung 30 führt nur Luft. Bei Vollastbetrieb ist daher, ohne daß es dazu erforderlich ist, besondere Schritte zu unternehmen, um die Ansaugluft umzuleiten, der gesamte Querschnitt der Leitung 15 für die Ansaugluft verfügbar, und die Atmung des Motors wird nicht beeinträchtigt.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf einen Motor mit nur einem Einlaßventil pro Zylinder, und in welchem die Geometrie der Einlaßöffnung dazu ausgelegt ist, die Verwirbelung zu fördern, so daß radial gerichtete Schichten über den Durchmesser des Zylinders erzeugt werden. Es ist jedoch auch leicht einzusehen, daß die Erfindung ebenso gut auf einen Motor angewendet werden kann, in dem eine Taumelschichtung erzielt wird, mit zwei oder mehr vertikal geschichteten Ladungsschichten über die Breite des Zylinders. Außerdem kann die zum Einlaßventil führende Einlaßöffnung geteilt werden, um die Trennung zwischen den parallelen Strömen von Luft und AGR-Gasen näher am Einlaßventil noch beizubehalten.
Die Erfindung kann auch auf einen Motor angewendet werden, in dem jeder Zylinder zwei Einlaßventile hat, die über eine gemeinsame Einlaßöffnung versorgt werden. In diesem Falle kann die Speicherleitung 30 so angeordnet sein, daß sie teilweise oder ganz einem der Einlaßventile gegenüberliegt, während die Zweigleitung 20 des Ansaugkrümmers, die den Zylinder mit Frischluft versorgt, dem anderen Einlaßventil gegenüberliegen kann.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie die Ausgestaltung nach Fig. 1, und um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, sind gleiche Teile mit ähnlichen Bezugszahlen in der 100er-Reihe bezeichnet. Der wesentliche Unterschied liegt in der Tatsache, daß statt einer AGR-Speiseleitung 42 die Leitung 142 an einer Kraftstoffdampf- Nebenversorgung angeschlossen ist. Diese Versorgung kann ein Dampfspeicherbehälter für die Verdunstungsemissionsbegrenzung sein, der Leerraum eines Kraftstofftanks oder ein Dampfabscheider, der die Kraftstoffzufuhr in höher- und niedrigerkochende Teile trennt. Wie bei AGR ist es auch hier wünschenswert, eine Ladungsschichtung zu erzielen, in diesem Falle werden jedoch die Dämpfe in der Nähe der Zündkerze benötigt, da sie die Verbrennung verbessern. Demzufolge führen die Speicherleitungen 130 in Fig. 2 zu den Zentren der Brennräume, statt zu deren Umfang.

Claims

1. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wenigstens einem Einlaßventil (12, 112) pro Zylinder und einer zu dem Einlaßventil führenden Einlaßöffnung (14, 114), welches Ansaugsystem einen Ansaugkrümmer mit einem Sammelraum (22, 122) aufweist, der über eine Hauptdrosselklappe (24, 124) mit der Umgebungsluft in Verbindung steht und mehrere Zweigleitungen (20, 120) aufweist, die jeweils vom Sammelraum (22, 122) zu einer Einlaßöffnung (14, 114) eines entsprechenden Zylinders der Motorzylinder führen, sowie mehrere Speicherleitungen (30, 130), die jeweils mit und parallel zu einer entsprechenden Zweigleitung (20, 120) des Ansaugkrümmers verbunden sind, wobei jede Speicherleitung (30, 130) an einem Ende in dem Sammelraum (22, 122) mündet und mit ihrem anderen Ende in der zugehörigen Einlaßöffnung mündet, und mehrere Nebenleitungen (36, 136), die eine Nebengasversorgung (42, 142) an einem Punkt entlang der Speicherleitung (30, 130) an dieser anschließen, wobei die Position entlang der Speicherleitung (30, 130) der Verbindung mit der Nebenleitung (36, 136) so gewählt ist, daß, wenn das zugehörige Einlaßventil (12, 112) geschlossen ist, Gas von der Nebenversorgung (42, 142) durch den Ansaugkrümmer-Unterdurck nur in die Speicherleitung (30, 130) gesaugt werden, so daß, wenn das zugehörige Einlaßventil (12, 112) anschließend öffnet, Luft aus der Zweigleitung (20, 120) des Ansaugkrümmers und in der Speicherleitung (30, 130) gespeicherte Gase aus der Nebenversorgung als parallele Ströme in den Zylinder eintreten und in diesem Zylinder geschichtete Bereiche von Luft und von Gasen aus der Nebenversorgung bilden.

2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, worin die Nebengasversorgung durch eine AGR-Leitung (42) gebildet wird, die mit einem Auspuffsystem (40) des Motors verbunden ist und derart wirkt, daß sie Abgase zur Rückführung in das Ansaugsystem liefert.

3. Ansaugsystem nach Anspruch 1, worin die Nebengasversorgung von einer Leitung (142) gebildet wird, die mit einer Kraftstoffdampfquelle verbunden ist.

4. Ansaugsystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, in welchem das Ende jeder Nebenleitung, das in eine Speicherleitung einmündet, so zur Achse der Speicherleitung geneigt ist, daß die von der Nebenversorgung kommenden Gase in Richtung auf den Sammelraum des Ansaugkrümmers geleitet werden.

5. Ansaugsystem nach einem beliebigen der Vorangehenden Ansprüche, worin die einzelnen Nebenleitungen Zweigleitungen eines Krümmers mit einem gemeinsamen Sammelraum (38, 138) Sind, die über ein Stromregelventil (44, 144) mit der Nebenversorgung (42, 142) verbunden sind.

6. Ansaugsystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Speicherleitungen dadurch geformt werden, daß von dem Sammelraum zu den Einlaßöffnungen führende Leitungen geteilt werden, wobei die Kanäle auf der einen Seite der Trennung die Zweigleitungen des Ansaugkrümmers sind, und die Kanäle auf der anderen Seite der Trennung die Speicherleitungen bilden.

7. Ansaugsystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche für den Einsatz in einem Motor der Art mit zwei Einlaßventilen je Zylinder, die über eine gemeinsame Ansaugöffnung versorgt werden, worin die Speicherleitungen und die Ansaugkrümmer-Zweigleitungen vergleichbare Querschnittsflächen haben und je einem anderen der beiden Einlaßventile gegenüberliegen.