EP1481150A1 - Zylinderkopf f r eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zylinderkopf f r eine brennkraftmaschine

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EP1481150A1
EP1481150A1 EP20030742498 EP03742498A EP1481150A1 EP 1481150 A1 EP1481150 A1 EP 1481150A1 EP 20030742498 EP20030742498 EP 20030742498 EP 03742498 A EP03742498 A EP 03742498A EP 1481150 A1 EP1481150 A1 EP 1481150A1
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EP
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combustion chamber
inlet
internal combustion
combustion engine
fuel
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Application number
EP20030742498
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English (en)
French (fr)
Inventor
Van-Khanh Tran
Stephan Müller
Rainer Bock
Thorsten Unger
Nils Nagel
Markus Eberl
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Gasoline engines with direct injection are the focus of the development work of many automobile manufacturers. With all currently used gasoline direct injection methods - jet-guided, wall-guided, air-guided - it must be ensured that the fuel-air mixture ignites reliably even at the lowest injection rates. Particularly in the stratified charge mode aimed at at partial load ( ⁇ »1), in which the injection timing, in contrast to homogeneous operation, is shifted from the intake stroke to the compression stroke, the time until the ignition is shortened for good mixture preparation. It is therefore all the more necessary, on the one hand, to achieve an intimate mixing of fuel and combustion air within the charge cloud by means of a corresponding charge movement and, on the other hand, to ensure that this mixture cloud is transported to the ignition site.
  • swirl or tumble flaps are known from the prior art, which are arranged in the inlet duct of a cylinder head and support the preparation of the mixture cloud and the supply of the concentrated mixture to the spark plug. While a swirl flap generates a charge movement in the cylinder around the cylinder vertical axis with a swirl center to the cylinder center axis, a charge movement around the cylinder transverse axis can be achieved through a tumble flap.
  • an internal combustion engine is known from DE 44 45 777 AI, in which a swirl control valve provided with a recess is arranged in the intake duct of the cylinder head to generate a tumble air flow.
  • the object of the invention is to provide a charge movement device in the inlet duct of the vehicle, in particular for a four valve engine with gasoline direct injection To create internal combustion engine that reliably supports mixture preparation in the combustion chamber.
  • the adjustable flap element according to the invention is characterized in that, in its closed state, two open subchannel cross sections remain, via which the combustion air enters the combustion chamber of the internal combustion engine with the formation of a double swirl flow. This ensures intensive mixture preparation, which is particularly necessary for stratified charge operation.
  • the charge movement device is characterized in that the flap element is essentially rectangular in shape, while the inlet duct is designed in the shape of a cross-oval, so that when the flap position is closed, two arcuate partial duct cross sections remain, via which the combustion air flow enters the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a piston recess is provided on the end of the piston facing the combustion chamber, via which the fuel-air mixture reaches the ignition point in a wall-guided manner.
  • FIG. 1 shows a cross section through a cylinder head of an internal combustion engine
  • FIG. 2 shows a flap element in the inlet duct of an internal combustion engine
  • Fig. 3 is a schematic representation of the mixture transport to the ignition site
  • Fig. 4 + 5 is a plan view of a piston with a schematic representation of the
  • Fig. 6 shows the flap element and Fig. 7 shows a map to show the different positions of the flap element.
  • the four-valve cylinder head 2 has two intake valves 4 (only one intake valve can be seen in the sectional view) and two exhaust valves 6 (only one exhaust valve can be seen). Both the inlet and the outlet valves 4, 6 each monitor a channel 10 to 13 leading to a combustion chamber 8, via which the combustion air is supplied to the combustion chamber 8 in a known manner and the exhaust gases produced during combustion are removed.
  • the two inlet ducts, hereinafter referred to as branch pipes 10, 11, are seen upstream from the combustion chamber 14 and brought together to form a common duct 14, in which a flap element 16 fastened to a shaft 17 is arranged, which is described in more detail below.
  • An injection valve 18 is also accommodated in the cylinder head 2, the fuel jet of which is directed directly into the combustion chamber 8 of the internal combustion engine.
  • a cylinder space 20 adjoins the combustion chamber 8, in which a piston 24 provided with a recess 22 can be moved and controlled via a crankshaft (not shown).
  • the fuel mixture supplied to the combustion chamber 8 is in the middle of the Ignition device 26 arranged in the combustion chamber roof, which is shown only schematically in the drawings as the ignition location, ignites.
  • the channel section 14 has a transverse oval shape, while the flap element arranged in the channel section 14, hereinafter referred to as swirl flap 16, is essentially rectangular.
  • a double swirl flow 28 is generated, which produces intensive mixing with the fuel cloud 30 injected into the combustion chamber 8.
  • the mixture cloud is, as shown with reference to FIGS. 3a to 3c, guided at the end of the compression stroke in the piston recess 22 to the ignition location 26 and ignited there.
  • the swirl flap 16 is steplessly adjustable between the "open” position and the "closed” position with the aid of the shaft 17.
  • a map as shown in FIG. 7 is stored in a control unit, by means of which the position of the swirl flap 16 can be controlled as a function of the load and speed of the internal combustion engine.
  • the swirl flap 16 In a lower load range A with a fuel-air ratio ⁇ »1, the swirl flap 16 is completely closed to generate a double swirl flow; maximum swirl is generated.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, in dem mindestens ein Einlass- und ein Auslasskanal 10 bis 13 angeordnet sind, die zu einem an einen Zylinderraum 20 angrenzenden Brennraum 8 führen, wobei Ein - und Auslasskanal durch Ventilelemente 4, 6 überwacht sind, einen im Zylinderraum beweglich angeordneten Kolben 24, einem Einspritzventil 18, über das zur Ausbildung eines Brennstoff - Luftgemisches Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist, und eine in den Brennraum hineinragende Zündeinrichtung 26 zur Entflammung des Brennstoff - Luftgemisches, sowie mit einer im Einlasskanal angeordneten Ladungsbewegungseinrichtung. Es wird vorgeschlagen, dass die Ladungsbewegungseinrichtung als verstellbares Klappenelement 16 ausgebildet ist, das bei geschlossener Stellung zwei Teilkanalquerschnitte 14a, 14b des Einlasskanals 14 freilässt, über die Verbrennungsluft in den Brennraum 8 gelangt. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Klappenelementes 16 kann auf einfache Art und Weise insbesondere für die Benzindirekteinspritzung mit Schichtladebetrieb notwendige Drallströmung und Turbulenz erzeugt werden.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ottomotoren mit Direkteinspritzung stehen im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten vieler Automobilhersteller. Bei allen derzeitig verwendeten Verfahren der Benzin - Direkteinspritzung - strahlgeführt, wandgeführt, luftgeführt - muss sicher gestellt werden, dass das Brennstoff - Luftgemisch sich auch bei kleinsten Einspritzraten zuverlässig entzündet. Insbesondere bei dem im Teillast angestrebten Schichtladebetrieb (λ » 1), bei dem der Einspritzzeitpunkt im Gegensatz zum Homogenbetrieb vom Einlasstakt zum Kompressionstakt hin verlagert wird, ist die Zeitspanne bis zur Zündung für eine gute Gemischaufbereitung verkürzt. Um so mehr ist es daher erforderlich, durch eine entsprechende Ladungsbewegung einerseits eine innige Vermischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft innerhalb der Ladungswolke zu erzielen und andererseits ein Transport dieser Gemischwolke zum Zündort sicher zu stellen.
Aus dem Stand der Technik sind sog. Drall- oder Tumble - Klappen bekannt, die im Einlasskanal eines Zylinderkopfes angeordnet sind und die Aufbereitung der Gemischwolke sowie die Zuführung des konzentrierten Gemischs zur Zündkerze unterstützen. Während durch eine Drallklappe eine Ladungsbewegung im Zylinder um die Zylinder - Hochachse mit Drallzentrum zur Zylindermittelachse erzeugt wird, ist durch eine Tumble - Klappe eine Ladungsbewegung um die Zylinder - Querachse erreichbar. So ist beispielsweise aus der DE 44 45 777 AI eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Ansaugkanal des Zylinderkopfes zur Erzeugung einer Tumble - Luftströmung ein mit einer Aussparung versehenes Wirbelsteuerventil angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine insbesondere für einen Vierventil - Motor mit Benzindirekteinspritzung vorgesehene Ladungsbewegungseinrichtung im Einlasskanal der Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine Gemischaufbereitung im Brennraum zuverlässig unterstützt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Das erfindungsgemäße verstellbare Klappenelement zeichnet sich dadurch aus, dass in ihrem geschlossenen Zustand zwei offene Teilkanalquerschnitte verbleiben, über die die Verbrennungsluft unter Ausbildung einer Doppeldrallströmung in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Damit wird eine insbesondere für den Schichtladebetrieb erforderliche intensive Gemischaufbereitung sicher gestellt.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes möglich.
Die Ladungsbewegungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Klappenelement im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist, während der Einlasskanal querovalförmig ausgestaltet ist, so dass bei geschlossener Klappenstellung zwei kreisbogenförmige Teilkanalquerschnitte verbleiben, über die der Verbrennungsluftstrom in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Damit die im Brennraum erzeugte Doppeldrallströmung zusammen mit dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff sicher zum Zündort gelangt, ist auf der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens eine Kolbenmulde vorgesehen, über die das Brennstoff - Luftgemisch wandgeführt zum Zündort gelangt.
Ein Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, Fig. 2 die Darstellung eines Klappenelementes im Einlasskanal einer Brennkraftmaschine,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Gemischtransports zum Zündort, Fig. 4+5eine Draufsicht auf einen Kolben mit schematischer Darstellung der
Ladungsbewegung, Fig. 6 eine Darstellung des Klappenelementes und Fig. 7 ein Kennfeld zur Darstellung der verschiedenen Stellungen des Klappenelementes.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
Der Vierventil - Zylinderkopf 2 weist zwei Einlassventile 4 (in der Schnittdarstellung ist nur ein Einlassventil erkennbar) sowie zwei Auslassventile 6 (nur ein Auslassventil erkennbar) auf. Sowohl die Ein- als auch die Auslassventile 4, 6 überwachen jeweils einen zu einem Brennraum 8 führenden Kanal 10 bis 13, über die auf bekannte Art und Weise die Verbrennungsluft dem Brennraum 8 zugeführt und die bei der Verbrennung entstehenden Abgase abgeführt werden. Die beiden Einlasskanäle, im folgenden als Zweigrohre 10, 11 bezeichnet, sind stromaufwärts vom Brennraum 14 gesehen, zu einem gemeinsamen Kanal 14 zusammen geführt, in der ein an einer Welle 17 befestigtes Klappenelement 16 angeordnet ist, das im folgenden noch näher beschrieben ist.
Im Zylinderkopf 2 findet weiterhin ein Einspritzventil 18 Aufnahme, dessen Kraftstoffstrahl direkt in den Brennraum 8 der Brennkraftmaschine gerichtet ist. An den Brennraum 8 grenzt ein Zylinderraum 20 an, in dem ein mit einer Mulde 22 versehener Kolben 24 bewegbar und über eine nicht dargestellt Kurbelwelle gesteuert, angeordnet ist. Das dem Brennraum 8 zugeführte Kraftstoffgemisch wird mit Hilfe einer in der Mitte des Brennraumdaches angeordneten Zündeinrichtung 26, die in den Zeichnungen nur schematisch als Zündort dargestellt ist, entflammt.
Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Kanalabschnitt 14 querovalförmig ausgebildet, während das im Kanalabschnitt 14 angeordnete Klappenelement, im folgenden als Drallklappe 16 bezeichnet, im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich bei einer geschlossenen Stellung der Drallklappe 16 zwei Teilkanalquerschnitte 14a und 14b, über die auch bei geschlossener Klappenstellung Verbrennungsluft in den Brennraum 8 gelangt. Somit wird bei geschlossener Stellung der Drallklappe 16 eine Doppeldrallströmung 28 erzeugt, die eine intensive Vermischung mit der in den Brennraum 8 eingespritzten Kraftstoffwolke 30 erzeugt. Die Gemischwolke wird, wie anhand der Fig. 3a bis 3c dargestellt, am Ende des Kompressionshubes in der Kolbenmulde 22 zum Zündort 26 geführt und dort entflammt. Die Drallklappe 16 ist mit Hilfe der Welle 17 stufenlos zwischen der Stellung "offen" und der Stellung "geschlossen" einstellbar. Dazu ist beispielsweise ein, wie in Fig. 7 dargestelltes Kennfeld in einem Steuergerät hinterlegt, durch das die Stellung der Drallklappe 16 in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine steuerbar ist. In einem unteren Lastbereich A mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis λ » 1 ist zur Erzeugung einer Doppeldrallströmung die Drallklappe 16 vollständig geschlossen; maximaler Drall wird erzeugt. Von einem mittleren Lastbereich B mit einem Kraftstoff- Luftverhältnis λ >1 zu einem oberen Lastbereich C mit einem Kraftstoff-Luftverhältnis λ=l wird die Drallklappe 16 kontinuierlich geöffnet, so dass im Lastbereich C die Drallklappe vollkommen geöffnet ist, da in diesem Betriebszustand (Homogenbetrieb) keine Drallerzeugung mehr erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, in dem mindestens ein Einlass- und ein Auslasskanal angeordnet sind, die zu einem an einen Zylinderraum angrenzenden Brennraum führen, wobei Ein - und Auslasskanal durch Ventilelemente überwacht sind, einen im Zylinderraum beweglich angeordneten Kolben, einem Einspritzventil, über das zur Ausbildung eines Brennstoff - Luftgemisches Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist, und eine in den Brennraum hineinragende Zündeinrichtung zur Entflammung des Brennstoff - Luftgemisches, sowie mit einer im Einlasskanal angeordneten Ladungsbewegungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsbewegungseinrichtung als verstellbares Klappenelement (16) ausgebildet ist, das bei geschlossener Stellung zwei Teilkanalquerschnitte (14a, 14b) des Einlasskanals (14) freilässt, über die Verbrennungsluft in den Brennraum (8) gelangt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (14) querovalförmig und das Klappenelement (16) rechteckförmig ausgebildet sind, so dass bei geschlossener Klappenstellung zwei kreisbogenförmige Teilkanalquerschnitte (14a, 14b) ausgebildet sind.
3. Brennkraftmaschine, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (14) zwei zum Brennraum (8) führende Zweigrohre (10, 11) aufweist, die jeweils durch einen Einlassventil (4) überwacht sind und dass das Klappenelement (16) stromaufwärts der beiden Zweigrohre (10, 11) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) auf seiner dem Brennraum (8) zugewandten Stirnseite eine Kolbenmulde (22) aufweist.
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Inventor name: UNGER, THORSTEN

Inventor name: TRAN, VAN-KHANH

Inventor name: NAGEL, NILS

Inventor name: MUELLER, STEPHAN

Inventor name: EBERL, MARKUS

Inventor name: BOCK, RAINER

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