DE19647301A1 - Verfahren zur Gemischbereitung für eine Otto-Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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.