DE19647301A1 - Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbereitung
für eine Otto-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine zur Durchfüh
rung des Verfahrens.
Es ist bekannt, daß bei Otto-Brennkraftmaschinen mit äu
ßerer Gemischbildung durch Kraftstoffeinspritzung in den
Ansaugkanal die Bereitung eines homogenen Gemisches im
Brennraum gefördert werden kann, indem der Gemischstrom
aus dem Ansaugkanal in einer walzenartigen Strömung, der
sogenannten Tumbleströmung, in den Brennraum einströmt
und eine feine Verteilung des Gemisches herbeiführt. Die
Tumbleströmung wird dabei grundsätzlich dadurch erzeugt,
daß der Ansaugkanal durch einen Tumblebogen zu einem gie
belförmigen Brennraumdach in den Brennraum mündet und zum
Gemischeinlaß in den Brennraum durch Abheben eines Ven
tilgliedes von seinem Ventilsitz im Brennraumdach mit ei
nem entsprechenden Öffnungshub freigegeben wird. Dabei
wird die Gemischströmung aus dem Tumblebogen in den
Brennraum umgelenkt und dadurch die Tumbleströmung be
wirkt. Es hat sich bewährt, den Injektor in der dem
Brennraum gegenüberliegenden Kanalwand des Ansaugkanals
derart anzuordnen, daß der Kraftstoff am Eingang des Tum
blebogens in den Ansaugluftstrom in einem Sprühstrahl
eingespritzt wird, welcher in Durchströmungsrichtung an
gestellt ist. Somit ist frühzeitig eine Zerstäubung und
Verdunstung des eingespritzten Kraftstoffes im Ansaug
luftstrom möglich, welcher durch die Anstellung einer
Drosselklappe als Steuerorgan bestimmt ist.
Im niedrigen Lastbereich der Brennkraftmaschine ist je
doch der in den Brennraum geförderte Gemischstrom nur ge
ring, wodurch eine Tumbleströmung zur Gemischverteilung
im Brennraum schwach oder gar nicht ausgebildet werden
kann. Ein weiteres Problem bei der Gemischbereitung er
gibt sich in der Startphase der Brennkraftmaschine, wobei
aufgrund der vorgelagerten Injektoranordnung der einge
spritzte Kraftstoff unvollständig verdunstet wird und
sich teilweise an der kalten Kanalwand in flüssiger Form
niederschlägt. Die JP 6-159075 schlägt daher eine
Otto-Brennkraftmaschine vor, bei der durch Einblasung eines
kontinuierlichen Luftstroms in den Ansaugkanal die Ge
mischbereitung im Brennraum beeinflußt wird. Die Luftein
blasung ist dabei an zwei in Durchströmungsrichtung des
Ansaugkanals beabstandeten Stellen in dem im Tumblebogen
innenliegenden Wandabschnitt vorgesehen. An jeder dieser
Stellen mündet ein Einblaskanal in den Ansaugkanal, wel
che wahlweise von einem Umschaltventil freigebbar sind,
so daß ein stromauf der Drosselklappe dem Ansaugluftstrom
abgegriffener Teilstrom durch den jeweils freigegebenen
Einblaskanal in den Ansaugkanal eingeblasen wird. In der
Kaltstartphase der Brennkraftmaschine wird der benachbart
des Ventilsitzes in den Tumblebogen mündende Einblaskanal
freigegeben, wobei der eingeblasene Luftstrom den in die
ser Betriebsphase an der kalten Kanalwand niedergeschla
genen Kraftstoff auf das vom Ventilsitz abgehobene Ven
tilglied sprüht und somit die Kraftstoffverdunstung för
dert. Ist die Brennkraftmaschine nach einer bestimmten
Betriebszeit aufgewärmt, so erfolgt die Einblasung des
kontinuierlichen Luftstroms nach der entsprechenden Um
schaltung des Umschaltventils durch den nahe dem Injektor
in den Tumblebogen mündenden Einlaßkanal. Der durch die
sen Einblaskanal in den Ansaugkanal gelangende Luftstrom
drängt den im Ansaugkanal strömenden Gemischstrom an die
im Tumblebogen außenliegende Kanalwand und begünstigt so
mit die Ausbildung einer Tumbleströmung im Brennraum ent
sprechend dem Ventilhub und der Geometrie des Tumblebo
gens.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine frühzeitige Beein
flussung des Gemischstromes durch Lufteinblasung in einem
injektornahen Bereich, insbesondere im Niedriglastbereich
der Brennkraftmaschine mit geringem Gemischmassenstrom,
nur eine minimale Einwirkung auf die Erzeugung der ange
strebten Tumbleströmung im Brennraum ermöglicht. Der an
die Außenwand des Tumblebogens gelenkte Gemischstrom löst
sich rasch wieder von der Anlage an der Kanalwand, so daß
eine direkte Einflußnahme auf die Gemischbereitung im
Brennraum durch Lufteinblasung im injektornahen Bereich
kaum möglich ist. Der auf die beschriebene Weise einge
blasene Luftstrom führt außerdem zur Ausbildung schädli
cher Turbulenzen in der Gemischströmung. Darüber hinaus
kann die Maßnahme der Lufteinblasung im Ventilsitzbereich
während der Startphase der Brennkraftmaschine nicht ver
hindern, daß sich auf der kalten Kanalwand gegenüber dem
Injektor durch eine Kraftstoffbenetzung durch den Sprüh
strahl ein Kraftstoffilm niederschlägt. Dieser Kraft
stoffilm führt zu einer Bildung von zu großen Kraftstoff
tropfen, welche vor dem Eintritt in den Brennraum nicht
mehr verdunstet werden können und in flüssiger Form ein
homogenes Gemisch im Brennraum erzeugen. Die Folge ist
eine Überfettung des im Brennraum gebildeten Gemisches
und eine unvollständige Verbrennung, was eine erhöhte
Schadstoffemission, insbesondere unverbrannte Kohlenwas
serstoffe und Kohlenmonoxid verursacht. Durch die schlag
artige Verlegung der Einblasstelle infolge der Umschal
tung des Umschaltventils während der Aufwärmphase der
Brennkraftmaschine ist eine zufriedenstellende Gemischbe
reitung im Brennraum nicht möglich, da vor der Umschal
tung nur eine unzufriedenstellende Tumbleströmung erzeug
bar ist und direkt nach der Umschaltung erhöhte Schad
stoffemissionen durch zu große Kraftstofftropfenbildung
auftreten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ge
mischbereitung zu schaffen, welches insbesondere im Nied
riglastbereich und in der Startphase der Brennkraftma
schine eine wirkungsvolle Beeinflussung der Gemischberei
tung im Brennraum ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe
der Erfindung, eine Otto-Brennkraftmaschine bereitzustel
len, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreib
bar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einer
Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ge
löst.
In der Startphase oder in der frühen Warmlaufphase der
Brennkraftmaschine wird vorwiegend durch einen Zerstäu
bungskanal und dessen nahe dem Injektor im Einblasab
schnitt angeordneten Einblasöffnung in den Ansaugkanal
ein Fluidstrom eingeblasen und dadurch der sich in dieser
Betriebsphase an der kalten Kanalwand infolge Kraftstoff
benetzung niedergeschlagene Kraftstoffilm aufgerissen und
im Gemischstrom zerstäubt. Die frühzeitige Entfernung des
Kraftstoffilms von der Kanalwand ermöglicht durch den Ab
stand vom Ventilsitz eine vollständige Verdunstung der
zerstäubten Kraftstofftropfen vor dem Eintritt in den
Brennraum. Mit zunehmender Betriebsdauer und damit zuneh
mender Temperatur der Brennkraftmaschine wird ein zuneh
mender Fluidmassenstrom durch einen Tumblekanal benach
bart des Ventilsitzes in den Ansaugkanal geblasen. In der
Normalbetriebsphase der Brennkraftmaschine wird vorwie
gend durch den Tumblekanal eingeblasen, wobei der einem
dem Injektor gegenüberliegende Wandabschnitt benetzende
Kraftstoff durch die Temperatur der Wand verdunstet wird
und somit keine zusätzlichen Zerstäubungsmaßnahmen an
dieser Stelle erforderlich sind.
Durch die Lufteinblasung im Ventilsitzbereich erfolgt ei
ne direkte Beeinflussung des in den Brennraum eintreten
den Gemischstromes zur Generierung der angestrebten Tum
bleströmung im Brennraum. Der Fluidstrom wird vor der
Einleitung in die Einblaskanäle in Pulsation versetzt,
wodurch mit einem geringen Fluidmassenstrom eine hohe
Wirksamkeit der Einblasung durch die impulsartige Beein
flussung erreicht ist. Ein in der Startphase der Brenn
kraftmaschine durch den Zerstäubungskanal und dessen Ein
blasöffnung im injektornahen Bereich in den Ansaugkanal
eingeblasener Fluidstrom reißt den an der Wand niederge
schlagenen Kraftstoffilm entsprechend seiner Pulsfrequenz
häufig auf und erreicht somit eine feine Zerstäubung und
schnelle Verdunstung. Die Beeinflussung des Gemischstro
mes zur Erzeugung einer Tumbleströmung im Brennraum durch
Einblasung eines Fluidstroms durch den Tumblekanal und
dessen Einblasöffnung im Ventilsitzbereich ist durch die
Pulsation des Fluidstroms besonders vorteilhaft, da bei
großer tumbleerzeugender Wirkung auf den Gemischstrom nur
eine geringe Einblasmenge dem Gemischstrom beigemengt
wird.
Die Pulsation des zur Einblasung in den Ansaugkanal be
stimmten Fluidstroms wird durch eine schnellschaltbare
Taktventilanordnung erzeugt, welche sowohl den Tumbleka
nal als auch den Zerstäubungskanal beherrscht und dem je
weils vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
entsprechend ansteuert. Vorteilhaft wird stromauf der
Drosselklappe im Ansaugkanal dem Ansaugluftstrom ein
Teilstrom abgegriffen, welcher durch einen Bypasskanal
den Einblaskanälen zugeleitet wird. Das Druckgefälle
stromauf und stromab der Drosselklappe treibt dabei den
Luftstrom durch den Bypasskanal und entsprechend der Ein
stellung der Taktventilanordnung durch die Einblaskanäle
zur Einblasung in den Tumblebogen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in
dem Bypasskanal ein Umschaltventil angeordnet, welches
sowohl den Bypasskanal als auch eine an dieser Stelle in
dem Bypasskanal mündende Speiseleitung beherrscht. Durch
eine entsprechende Schaltung des Umschaltventils steht
alternativ zum Luftstrom ein durch die Speiseleitung her
angeführtes Fluid zur Einblasung bereit. Ist die Speise
leitung mit einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine ver
bunden, so ist über die Einblasung Abgas in den Ansaugka
nal der Brennkraftmaschine rückführbar. Durch entspre
chende Schaltung des Umschaltventiles ist in jedem Be
triebspunkt der Brennkraftmaschine die optimale Abgas
rückführungsrate einstellbar. Darüber hinaus ist durch
eine geteilte Einblasung des gesamten Abgasstroms an ver
schiedenen Stellen im Tumblebogen durch eine entsprechen
de Einstellung der Taktventilanordnung eine Gemischbil
dung mit hoher Abgasverträglichkeit erzielbar.
Es wird als vorteilhaft gesehen, daß sowohl das Umschalt
ventil als auch die Taktventilanordnung von einer Kenn
feldsteuerung betriebspunktoptimal einstellbar sind. Da
bei erfolgt die Steuerung der Einblasung derart, daß in
jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine optimale
Gemischbereitung im Brennraum und, durch Steuerung der
Zusammensetzung des einzublasenden Fluidstroms, eine je
weils optimale Abgasrückführungsrate erreicht ist.
Vorteilhaft weist jeder Zylinder der Brennkraftmaschine
zwei nebeneinander in dem Brennraum mündende Ansaugkanäle
auf. Durch unterschiedliche Steuerung der Einblasvorgänge
in den Tumblebögen beider Ansaugkanäle sind unterschied
lich ausgeprägte Tumbleströmungen in den Brennräumen aus
bildbar, wobei eine Drallströmung um die Zylinderachse
entsteht. Mit der Generierung einer Drallströmung steht
ein weiteres durch die Einblasung beeinflußbares Mittel
zur Gemischbereitung und Verbesserung der Brennbedingun
gen bereit.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Un
teransprüchen und aus der Beschreibung eines Ausführungs
beispiels, welches nachstehend anhand der Zeichnung näher
erläutert ist. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eines teilweise auf
gebrochen Längsschnitt eines Zylinders einer
Otto-Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung
durch Kraftstoffeinspritzung in den Ansaugkanal,
Fig. 2 eine Draufsicht eines Zylinders,
Fig. 3 die Vergrößerung des Einblasabschnittes benachbart
des Ventilsitzes gemäß III in Fig. 1,
Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung der Einzelheit ge
mäß Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Mündung des Tum
blebogens in den Brennraum gemäß V in Fig. 4.
In Fig. 1 ist in einem Längsschnitt ein Zylinder 4 einer
Otto-Brennkraftmaschine 1 dargestellt, in dem von einem
Kolben 3 und einem giebelförmigen Brennraumdach 18 ein
Brennraum 2 begrenzt ist. In den Brennraum 2 münden in
einer Giebelhälfte des Brennraumdaches 18 zwei hinterein
ander angeordnete, Gemisch zuführende Ansaugkanäle 12 und
in der anderen Giebelhälfte des Brennraumdaches 18 zwei
Abgaskanäle 21, welche nach der Verbrennung des Gemisches
im Brennraum 2 von jeweils einem Auslaßventil 20 zur Ab
führung der Abgase freigebbar sind. Jeder Ansaugkanal 12
ist in seinem Endabschnitt mit einem Tumblebogen 16 zum
Brennraumdach 18 gebogen und ist durch Abheben eines Ven
tilgliedes 17 von seinem Ventilsitz 23 im Brennraumdach
18 freigebbar. Entsprechend dem Betriebspunkt der Brenn
kraftmaschine 1 steuert eine Drosselklappe 11 bei einer
Freigabe des Ansaugkanals 12 den Ansaugluft-Massenstrom
A. In der Kanalwand 15 des Ansaugkanals 12 ist gegenüber
liegend dem Brennraum 2 ein Injektor 13 angeordnet, wel
cher am Eingang des Tumblebogens 16 Kraftstoff in einem
Sprühstrahl 14 einspritzt. Der Sprühstrahl 14 ist in Strö
mungsrichtung des Ansaugluftstromes A angestellt.
Um eine optimale Gemischbereitung im Brennraum mit mög
lichst homogener Verteilung zu erreichen, wird ange
strebt, den Gemischstrom in einer walzenförmigen Tum
bleströmung T in den Brennraum 2 einzuleiten. Die Tum
bleströmung T wird grundsätzlich bei einem entsprechenden
Ventilhub des Ventilgliedes 17 durch die Geometrie des
Tumblebogens 16 und der Strömungsenergie des Gemischstro
mes erzeugt. Im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine
1 mit niedrigen Drehzahlen und geringem Gemisch-Massen
strom wird die Generierung der Tumbleströmung T durch
Einblasung eines Fluidstroms im Bereich des Ventilsitzes
23 unterstützt, um die Durchmischung im Brennraum 2 zu
verbessern. Im innenliegenden Einblasabschnitt 25 mündet
daher ein Tumblekanal durch Einblasöffnungen 24 in den
Ansaugkanal 12. Die Einblasöffnungen 24 sind dabei kreis
bogenförmig im innenliegenden Einblasabschnitt 25 paral
lel zu einem Ventilsitzring 22 angeordnet, welcher den
Ventilsitz 23 aufweist. Durch das Einblasen eines ent
sprechenden Fluidmassenstroms durch den Tumblekanal 6
läßt sich in jedem Betriebspunkt insbesondere im Niedrig
lastbereich der Brennkraftmaschine 1 die jeweils ange
strebte Tumbleströmung T zur Gemischbereitung im Brenn
raum 2 generieren. Wird dabei in beiden Ansaugkanälen 12
der dem Brennraum jeweils zugeführte Gemischstrom durch
unterschiedliche Einblassteuerung der jeweiligen Tumble
kanäle 6 unterschiedlich in seiner Strömungsrichtung be
einflußt, so ist neben der Generierung von Tumbleströmun
gen T eine Beeinflussung der Gemischbereitung durch Aus
bildung einer Drallströmung um die Zylinderachse möglich.
Im innenliegenden Einblasabschnitt 25 des Tumblebogens 16
mündet nahe dem Injektor 13 ein weiterer Einblaskanal,
nämlich ein Zerstäubungskanal 7 durch Einblasöffnungen 26
in den Ansaugkanal 12. Die Einblasöffnungen 26 sind dabei
ringförmig in einer Teilfläche der Kanalwand des Einblas
abschnittes 25 verteilt. Beide Einblaskanäle 6, 7 werden
von einer schnellschaltenden Taktventilanordnung 8 be
herrscht, welche die Einblaskanäle mit pulsierenden Flu
idströmungen beschickt, deren Anteile am gesamten zur
Verfügung stehenden Fluidstrom vom Betriebspunkt bzw. der
Betriebsphase der Brennkraftmaschine 1 abhängig sind.
Während der Startphase bzw. der frühen Warmlaufphase der
Brennkraftmaschine 1 wird der zur Einblasung verfügbare
Fluidstrom vorwiegend durch den Zerstäubungskanal 7 in
den Ansaugkanal 12 eingeblasen. Der an dieser Stelle
durch die Einblasbohrungen 26 austretende, pulsierende
Fluidstrom reißt den sich in dieser Betriebsphase auf der
kalten Kanalwand infolge Kraftstoffbenetzung niederge
schlagenen Kraftstoffilm auf. Der niedergeschlagene
Kraftstoff wird ins Innere des Ansaugkanals 12 gerissen
und fein zerstäubt, wodurch die vollständige Verdunstung
gefördert und damit die homogene Gemischbildung im Brenn
raum begünstigt ist.
Mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine
lenkt die Taktventilanordnung 8 den Einblasmassenstrom in
größer werdenden Anteilen durch den Tumblekanal 6. Mit
einer entsprechenden Pulsation und Menge des eingeblase
nen Fluidstroms ist hier die Entwicklung der Tumbleströ
mung T im Brennraum 2 betriebspunktoptimal steuerbar. Im
höheren Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 mit zuneh
mend höheren Drehzahlen wird der eingeblasene Fluidstrom
zunehmend reduziert und die erforderliche Tumbleströmung
T durch den Massenstrom der Gemischzuführung im Ansaugka
nal 12 und den Tumblebogen 16 und das Ventilglied 17 er
zeugt. Bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 wird
die Einblasung durch den Tumblekanal 6 gestoppt, um die
Ausbildung der Tumbleströmung T im Brennraum 2 nicht auf
ein schädliches Maß zu erhöhen, welches die Zuführung der
benötigten Ansaugluftmenge A durch den Ansaugkanal 12 be
hindern würde. Die Krümmung des Tumblebogens 16 ist der
art ausgeführt, daß durch die Geometrie dieses Niedertum
blebogens dem Gemischstrom, welcher dem Brennraum 2 zuge
führt werden soll, ein geringer Grundtumbleimpuls erteilt
wird. Die erforderliche Tumbleströmung T zur guten Ge
mischbereitung wird dadurch im Niedriglastbereich der
Brennkraftmaschine variierbar durch die Lufteinblasung im
Tumblekanal 6 benachbart des Ventilsitzes 23 erzeugt.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Gemischbe
reitung im Brennraum 2 und der Verbrennungsbedingungen
insbesondere im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch und
Schadstoffemissionen ist durch eine Steuerung der Zusam
mensetzung des einzublasenden Fluidstroms möglich. Dabei
kann den Einblaskanälen 6, 7 zum einen ein Luftstrom zur
Einblasung zugeführt werden, welcher stromauf der Dros
selklappe 11 dem Ansaugluftstrom im Ansaugkanal 12 abge
griffen ist und durch einen Bypasskanal 10 der Taktven
tilanordnung 8 zugeführt ist.
Der Einlaßluftstrom wird von der Taktventilanordnung 8 in
Pulsation versetzt und entsprechend den jeweils vorlie
genden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 an
teilig dem Tumblekanal 6 zur Einblasung im Ventilsitzbe
reich und dem Zerstäubungskanal 7 zur Einblasung im in
jektornahen Bereich des Einblasabschnittes 25 zugeführt.
Der vor der Drosselklappe 11 abgegriffene Luftstrom wird
dabei von dem Druckgefälle im Ansaugkanal stromauf und
stromab der Drosselklappe 11 durch den Bypasskanal 10 und
die Einblaskanäle 6, 7 zur Einblasung in den Tumblebogen
16 getrieben. Dadurch steht beim Start der Brennkraftma
schine 1 mit noch geschlossener Drosselklappe 11 im Zer
stäubungskanal 7 sofort ein Einblasdruck an. Die Einbla
sung des vor der Drosselklappe 11 bereits abgegriffenen
Luftstroms durch den Zerstäubungskanal 7 und dessen Ein
blasöffnungen 26 zerstäuben unmittelbar den an dieser
Stelle der Kanalwand gebildeten Kraftstoffilm und verhin
dern somit zuverlässig jegliches Eindringen von flüssigem
Kraftstoff in den Brennraum 2. In den ersten Arbeitsspie
len des Zylinders 4 in der Startphase der Brennkraftma
schine 1 ist durch die sofortige Zerstäubung des Kraft
stoffilms im Einblasabschnitt 25 für eine vollständige,
homogene Gemischverbrennung und minimale Schadstoffemis
sionen gesorgt.
Zwischen der Taktventilanordnung 8 und dem Ansaugkanal 12
ist im Bypasskanal 10 ein Umschaltventil 9 angeordnet,
welches sowohl den Bypasskanal 10 als auch eine an dieser
Stelle einmündende Speiseleitung 19 beherrscht. Die Spei
seleitung 19 ist im Ausführungsbeispiel mit einer gemein
samen Abgasleitung der Abgaskanäle 21 aller Zylinder 4
der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Gibt das Umschaltven
til 9 die Speiseleitung 19 frei, so wird Abgas der Brenn
kraftmaschine 1 zurückgeführt und kommt entsprechend der
Einstellung der Taktventilanordnung 8 durch die Einblas
kanäle 6, 7 zur Einblasung in den Ansaugkanal 12. Für je
den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist durch eine
entsprechende Einstellung und Schaltfolge des Umschalt
ventils 9 eine optimale Abgasrückführungsrate steuerbar.
Der rückzuführende Abgasstrom wird dabei von dem Druckge
fälle vom Abgastrakt zum Ansaugtrakt der Brennkraftma
schine 1 durch die Speiseleitung 19, den Bypasskanal 10
und die Einblaskanäle 6, 7 zur Einblasung in den Tumble
bogen 16 getrieben. Vorteilhaft kann jedoch auch durch
die Speiseleitung 19 ein Gemischstrom aus Luft und Kraft
stoffdampf in den Bypasskanal 10 geleitet werden, wodurch
insbesondere in der Startphase der Brennkraftmaschine 1
die Gemischbereitung im Brennraum 2 verbessert ist.
Die Einstellung sowohl der Taktventilanordnung 8 als auch
die Einstellung des Umschaltventils 9 erfolgt in Abhän
gigkeit vom jeweils vorliegenden Betriebspunkt der Brenn
kraftmaschine 1 durch eine Kennfeldsteuerung 5. Die Ge
mischbereitung im Brennraum 2 ist durch die Kennfeld
steuerung 5 unter allen Betriebsbedingungen, das heißt in
jedem Betriebspunkt und in jeder Betriebsphase der Brenn
kraftmaschine 1, durch entsprechende Steuerung der Ein
blasvorgänge optimierbar. Durch die immer optimale Beein
flussung der Strömungsrichtung des Gemischstromes im An
saugkanal 12 ist darüber hinaus in jedem Betriebspunkt
eine hohe Abgasverträglichkeit bei der Gemischbildung er
reichbar und somit die jeweils maximal mögliche Abgas
menge rückführbar. Die Kennfeldsteuerung 5 arbeitet dabei
in Abhängigkeit von der Drehzahl und des Lastzustandes
der Brennkraftmaschine 1. Die aufgrund eines Druckgefäl
les zum Einblasabschnitt 25 zur Verfügung stehende Ein
blasmenge wird von der Kennfeldsteuerung 5 durch entspre
chende Steuerung der Taktventilanordnung 8 und des Um
schaltventils 9 in einer von der Betriebszeit der Brenn
kraftmaschine 1 abhängigen Abstufung auf die Einblaska
näle 6, 7 verteilt. Beim Start der Brennkraftmaschine 1
wird der gesamte zur Einblasung verfügbare Fluidstrom
durch den Zerstäubungskanal 7 im injektornahen Bereich
des Einblasabschnittes 25 zur Zerstäubung des an der kal
ten Kanalwand anliegenden Kraftstoffilms eingeblasen. Mit
zunehmender Betriebs zeit wird der zur Verfügung stehende
Fluidstrom in immer größer werdenden Anteilen durch den
Tumblekanal 6 zur Beeinflussung der Generierung der Tum
bleströmung T im Brennraum 2 in den Tumblebogen 16 nahe
des Ventilsitzes 23 eingeblasen, wobei wie bereits be
schrieben im höheren Lastbereich der Brennkraftmaschine 1
mit hohen Drehzahlen der Einblasmassenstrom zur Tumblege
nerierung reduziert bzw. gesperrt ist.
In Fig. 2 ist in einer Draufsicht ein Zylinder 4 einer
Brennkraftmaschine dargestellt, in dessen Brennraum 2
zwei Ansaugkanäle 12, 12' münden, welche in symmetrischer
Anordnung nebeneinander in einer Hälfte des giebelförmi
gen Brennraumdaches einmünden. Jeder Ansaugkanal 12, 12'
führt dem Brennraum ein Gemisch zu, dessen Einströmrich
tung zur Erzeugung der Tumbleströmung durch gezielte Ein
blasung eines Fluidstroms beeinflußbar ist. Der zur Ein
blasung bestimmte Fluidstrom wird durch einen in der Ka
nalwand 15 benachbart der Ansaugkanäle 12, 12' ausgebil
deten Tumblekanal 6 mit einem treibenden Druckgefälle
herangeführt. Die Einblasung erfolgt bei jedem Ansaugka
nal durch Einlaßöffnungen 24, welche im bogenförmigen
Endabschnitt jedes Ansaugkanals benachbart des jeweiligen
Ventilsitzes im innenliegenden Einblasabschnitt des (aus
Fig. 1 ersichtlichen) Tumblebogens gleichmäßig beabstan
det vom Ventilsitz angeordnet sind. Die Einblasöffnungen
24 sind mit jeweils einer die Kanalwand 15 durchsetzenden
Einblasbohrung 29 mit dem Tumblekanal 6 fluidisch verbun
den. Über eine Zufuhrbohrung 28 in einer den Tumblekanal
6 begrenzenden Außenwand 30 wird der Tumblekanal 6 mit
einem zur Einblasung bestimmten Fluidstrom in Abhängig
keit von einer Taktventilanordnung versorgt. Durch geeig
nete Wahl des durch den Tumblekanal 6 zugeführten Fluid
massenstroms und eine entsprechende Einstellung der Takt
ventilanordnung eines Ansaugkanals 12 können die Gemisch
ströme beider Ansaugkanäle 12, 12' mit unterschiedlichen
Strömungsbildern in den Brennraum 2 eingelassen werden,
wodurch eine Drallströmung in Umfangsrichtung des Brenn
raums 2 zur Verbesserung der Gemischbereitung generiert
werden kann. Möglich ist auch die Erzeugung einer Drall
strömung durch unterschiedliche Einblasvorgänge in beiden
Ansaugkanälen 12, 12', sofern beiden Ansaugkanälen 12,
12' jeweils eine Taktventilanordnung und ein der Einbla
sung dienendes Leitungswerk zugeordnet ist.
In Fig. 3 ist in einem Ausschnitt gemäß III in Fig. 1 der
im Tumblebogen innenliegende Einlaßabschnitt 25 benach
bart des Ventilsitzes 23 gezeigt. Der Ventilsitz 23, an
dem ein Ventilglied zum Verschließen des Ansaugkanals zur
Anlage bringbar ist, ist in einen Ventilsitzring 22 aus
gebildet, welcher in das Brennraumdach einsetzbar ist. In
der Kanalwand 15 ist ein fluidführender Tumblekanal 6
ausgebildet, welcher über Einblasbohrungen 29 und jeweils
zugeordnete Einblasöffnungen 24 benachbart des Ventil
sitzringes 22 fluidisch mit dem Ansaugkanal verbunden
ist. Ein durch die Einblasbohrungen 24 in den Ansaugkanal
eingeblasener, pulsierender Fluidstrom unterstützt die
Ablösung des Gemischstromes von der im Einblasabschnitt
25 einwärts gekrümmten Kanalwand 15 und generiert somit
eine walzenartige Tumbleströmung beim Eintritt in den
Brennraum. Die Einblasbohrungen 29 und damit die Einblas
öffnungen 24 haben im Ausführungsbeispiel einen vorteil
haften Durchmesser d von 2 mm, wobei die Einblasöffnungen
24 mit einem Abstand zueinander von etwa 4 mm angeordnet
sind. Die den Tumblekanal 6 begrenzende Außenwand 30 ist
von Bohrungen durchsetzt, welche den Einblasbohrungen 29
im Tumblekanal 6 in jeweiliger Überdeckung gegenüberlie
gen. Diese Bohrungen dienen bei der Herstellung der Ein
blasbohrungen 29 der Einführung eines Werkzeuges, welches
von außen die Außenwand 30 durchdringt. Zur fluidischen
Abdichtung des Tumblekanals 6 ist jede Bohrung in der Au
ßenwand 30 von einem Stopfen 27 verschlossen, welcher
vorzugsweise aus Aluminium besteht.
Die Einblasöffnungen 24 können auch im Ventilsitzring 22
ausgebildet sein, wodurch die Beeinflussung des Gemisch
stromes im Ansaugkanal zur Generierung einer Tumbleströ
mung im Brennraum besonders nahe am Ventilsitz 23 erfol
gen kann.
In Fig. 4 ist eine alternative Ausgestaltung eines im
Tumblebogen innenliegenden Einblasabschnittes 25 gezeigt.
Hier ist der Tumblekanal 6 in der Kanalwand 15 nahe an
den Ventilsitzring 22 herangeführt und wird über eine
Bohrung 28 wie zu Fig. 1 beschrieben mit einem zur Ein
blasung bestimmten Fluidstrom versorgt. Die Bohrung 28
ist mit einem Gewinde versehen, in das ein Leitungsteil
zur Verbindung mit der Taktventilanordnung (Fig. 1) ein
schraubbar ist. Die Einblasbohrungen 24 sind rechteckig
ausgeführt und in Umfangsrichtung des Tumblebogens ge
streckt, so daß ein großflächiger Eintrag des einzubla
senden Fluidstroms in den Tumblebogen möglich ist. Der
Fluidstrom wird dabei parallel zum Ventilsitzring 22 ge
richtet auf die gegenüberliegende Außenwand des Tumblebo
gens eingeblasen und beeinflußt unmittelbar die Generie
rung einer Tumbleströmung im Brennraum beim Eintritt des
Gemischstromes.
In Fig. 5 ist in der Ansicht gemäß Pfeil V in Fig. 4 die
Anordnung der rechteckigen Einblasöffnungen 24 parallel
zum Ventilsitzring 22 im innenliegenden Kreisbogenab
schnitt der Kanalwand 15 des Tumblebogens gezeigt. Die
Wirkung des pulsierenden Fluidstroms bei der Einblasung
ist durch die rechteckige Ausgestaltung der Einblasöff
nungen 24 verstärkt, da bei jedem Einblasimpuls ein groß
flächiger Eintrag nahe dem Ventilsitzring 22 zur optima
len Beeinflussung des im Ansaugkanal geführten Gemisch
stromes möglich ist. Die Einblasöffnungen 24 sind daher
möglichst in Umfangsrichtung des Ansaugkanals mit einer
großen Länge l und einer geringen Breite b gestreckt und
sind mit einem geringen Abstand h vom Ventilsitzring 22
angeordnet. In der gezeigten vorteilhaften Ausgestaltung
der Einblasöffnungen 24 beträgt die Länge l ca. 3 mm bei
einer jeweiligen Breite b von 1 mm. Die Einblasöffnungen
24 sind mit einem Abstand a von 0,8 mm zueinander ange
ordnet und jeweils mit einem Abstand h zum Ventilsitzring
22 angeordnet, welcher 1,5 mm beträgt.
Die Anordnung in Umfangsrichtung des Ansaugkanals kann
auch für die Einblasöffnungen des Zerstäubungskanals im
injektornahen Bereich des Einblasabschnittes (Fig. 1)
vorteilhaft sein. Die Einblasöffnungen des Zerstäubungs
kanals sind dabei am gesamten Umfang des Ansaugkanals
verteilt, so daß bei einer Einblasung in jedem Umfangsab
schnitt des Ansaugkanals ein an der Kanalwand niederge
schlagener Kraftstoffilm aufgerissen und zerstäubt wird.
Darüber hinaus ist bei der ringförmigen Anordnung der
Einblasöffnungen des Zerstäubungskanals ein sehr hoher
Volumenstrom einblasbar, so daß in bestimmten Betriebs
punkten der Brennkraftmaschine bei einer entsprechenden
Einstellung des Umschaltventiles (Fig. 1) große Abgasmen
gen rückführbar sind.
Claims (15)
1. Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brenn
kraftmaschine (1), in deren Zylindern (4) von einem
Kolben (3) und einem giebelförmigen Brennraumdach
(18) ein Brennraum (2) begrenzt ist, dem durch je
weils mindestens einen Ansaugkanal (12) ein Kraft
stoff/Luft-Gemisch zugeführt wird, indem ein Ven
tilglied (17) eines Einlaßventils von seinem Ven
tilsitz (23) im Brennraumdach (18) abhebt und in
Abhängigkeit von der Anstellung einer Drosselklappe
(11) ein Ansaugluftstrom (A) den Ansaugkanal (12)
durchströmt, in den ein in einer dem Brennraum (2)
abgewandten Kanalwand (15) angeordneter Injektor
(13) Kraftstoff in einem in Durchströmungsrichtung
angestellten Sprühstrahl (14) einspritzt und der
Gemischstrom durch einen Tumblebogen (16) zum
Brennraumdach (18) und dadurch anschließend in ei
ner walzenartigen Tumbleströmung (T) in den Brenn
raum (2) strömt, wobei in einem im Tumblebogen (16)
innenliegenden Einblasabschnitt (25) voneinander
beabstandet durch jeweils mindestens eine Einblas-
Öffnung (24, 26) von Einblaskanälen (6, 7) ein auf
den Gemischstrom im Tumblebogen (16) wirkender
Fluidstrom eingeblasen wird, welcher von einer Ven
tilanordnung (8) in Abhängigkeit von der Betriebs
phase der Brennkraftmaschine (1) den Einblaskanälen
(6, 7) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fluidstrom in Pulsation versetzt wird und
in der Startphase oder in der frühen Warmlaufphase
der Brennkraftmaschine (1) vorwiegend durch einen
Zerstäubungskanal (7) nahe dem Injektor (13) und
mit zunehmender Betriebsdauer während der Warmlauf
phase stetig zunehmend in der normalen Betriebs
phase der Brennkraftmaschine (1) durch einen Tum
blekanal (6) benachbart des Ventilsitzes (23) in
den Ansaugkanal (12) geblasen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein stromauf der Drosselklappe (11) im Ansaug
kanal (12) abgegriffener Luftstrom in den Tumblebo
gen (16) eingeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein aus einem Abgaskanal (21) der Brennkraftma
schine (1) rückgeführter Abgasstrom in den Tumble
bogen (16) eingeblasen wird.
4. Otto-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Ver
fahrens, in deren Zylindern (4) von einem Kolben
(3) und einem giebelförmigen Brennraumdach (18) ein
Brennraum (2) begrenzt ist, in den mindestens ein
von einem Einlaßventil beherrschter und durch Abhe
ben eines Ventilgliedes (17) von seinem Ventilsitz
(23) im Brennraumdach (18) freigebbarer Ansaugkanal
(12) mündet, welcher in Abhängigkeit von der Stel
lung einer Drosselklappe (11) von einem Ansaugluft
strom (A) durchströmbar ist und in den von einem in
einer dem Brennraum (2) abgewandten Kanalwand (15)
angeordneten Injektor (13) Kraftstoff in einem in
Durchströmungsrichtung angestellten Sprühstrahl
(14) einspritzbar ist und der Gemischstrom durch
einen Tumblebogen (16) zum Brennraumdach (18) unter
Ausbildung einer walzenartigen Tumbleströmung (T)
in den Brennraum (2) einlaßbar ist, wobei in den
Tumblebogen (16) in einem innenliegenden Einblasab
schnitt (25) voneinander beabstandet Einblaskanäle
(6, 7) durch jeweils mindestens eine Einblasöffnung
(24, 26) einmünden, durch die von einer Ventilan
ordnung (8) in Abhängigkeit von der Betriebsphase
der Brennkraftmaschine (1) ein Fluidstrom leitbar
ist und mit Wirkung auf den Gemischstrom in den
Tumblebogen (16) einblasbar ist, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die Ventilanordnung (8) eine schnellschaltbare
Taktventilanordnung (8) ist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet,
daß ein Bypasskanal (10) stromauf der Drosselklappe
(11) aus dem Ansaugkanal (12) abzweigt und von der
Taktventilanordnung (8) fluidisch mit den Einblas
kanälen (6, 7) verbindbar ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet,
daß im Bypasskanal (10) ein Umschaltventil (9) an
geordnet ist, welches die Zusammenführung des By
passkanals (10) und einer fluidführenden Speiselei
tung beherrscht, wobei abhängig von der Stellung
des Umschaltventils (9) die Speiseleitung (19)
freigebbar ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 und 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Speiseleitung (19) fluidisch mit einem Ab
gaskanal (21) der Brennkraftmaschine (1) verbunden
ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis
7, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl das Umschaltventil (9) als auch die
Taktventilanordnung (8) von einer Kennfeldsteuerung
(5) beriebspunktoptimal einstellbar sind.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis
8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zerstäubungskanal (7) mit mehreren Einblas
öffnungen (26) in der Kanalwand (15) in den Ansaug
kanal (12) mündet.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die Einblasöffnungen (26) des Zerstäubungska
nals (7) auf einer Fläche im Einblasabschnitt (25)
verteilt angeordnet sind, die vorzugsweise kreis
förmig oder ringförmig ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis
10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Tumblekanal (6) mit mehreren Einblasöffnun
gen (24) in den Ansaugkanal (12) mündet, welche in
einem radialen Bogenabschnitt parallel zum Ventil
sitz (23) im Einblasabschnitt (25) des Tumblebogens
(16) angeordnet sind.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet,
daß die Einblasöffnungen (24) des Tumblekanals (6)
in einem den Ventilsitz (23) aufweisenden, in das
Brennraumdach (18) einsetzbaren Ventilsitzring (22)
ausgebildet sind.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, da
durch gekennzeichnet,
daß die Einblasöffnungen (24) des Tumblekanals mit
rundem Querschnitt ausgeführt sind.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, da
durch gekennzeichnet,
daß die Einblasöffnungen (24) des Tumblekanals (6)
mit rechteckigem, in Umfangsrichtung des Ansaugka
nals (12) gestrecktem Querschnitt ausgeführt sind.
15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Zylinder (4) der Brennkraftmaschine (1)
zwei nebeneinander in derselben Giebelhälfte des
Brennraumdaches (18) in den Brennraum (2) mündende
Ansaugkanäle (12, 12') aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19647301A DE19647301A1 (de) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19647301A DE19647301A1 (de) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens |
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DE19647301A1 true DE19647301A1 (de) | 1998-05-20 |
Family
ID=7811790
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19647301A Withdrawn DE19647301A1 (de) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |