DE19730842A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Einlaßventilen, zwei nebeneinander an­ geordneten Auslaßventilen, einem Einspritzventil und einem Kolben pro Zy­ linder, wobei das Einspritzventil zwischen den beiden Auslaßventilen und dem an die Auslaßventile angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand ange­ ordnet ist.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 37 02 899 A1 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine wird durch eine definierte Gestaltung des Brennraums sowie Anordnung der Zünd- und Ein­ spritzvorrichtungen der Verbrennungsablauf im Brennraum günstig beein­ flußt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Brenn­ kraftmaschine so weiterzubilden, daß eine weiter verbesserte Gemischauf­ bereitung und damit ein noch sparsamerer Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Indem bei der Brennkraftmaschine drei nebeneinander angeordnete Einlaß­ ventile vorgesehen sind, wobei die beiden seitlichen Einlaßventile separat von dem mittleren Einlaßventil Frischluft in den Zylinder einlassen, ist eine Brennkraftmaschine realisiert, bei welcher die seitlichen Einlaßventile mit Frischluft versorgt werden können, während das mittlere Einlaßventil die Frischluft nur teilweise oder gar nicht in den Zylinder einströmen läßt. Da­ durch wird im Brennraum der Brennkraftmaschine eine stark ausgeprägte Tumbleströmung generiert.

Indem bei der Brennkraftmaschine außerdem ein Kolben mit einer Brenn­ raummulde vorgesehen ist, wobei die Brennraummulde den von den beiden Auslaßventilen beherrschten Auslaßöffnungen gegenüberliegend angeord­ net ist, kann sich die ausgeprägte Tumbleströmung am Zylinderkopf entlang in Richtung zu den Auslaßventilen, dann an der Zylinderwand entlang bis in die Brennraummulde des Kolbens fortsetzen. Während der Kompression wird die Strömung in der Brennraummulde schließlich nach oben in Richtung zum Zylinderkopf umgeleitet.

Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine so gesteuert werden, daß im homogenen Magerbetrieb Lambdawerte von ca. 1.6 und im geschichteten Magerbetrieb Lambdawerte von 3.0 und mehr erreichbar sind. Daraus resul­ tiert eine besonders deutliche Kraftstoffersparnis.

Dadurch, daß das Einspritzventil auf der Auslaßseite beziehungsweise der Einlaßseite gegenüberliegend angeordnet ist, strömt die in den Brennraum eingesaugte Frischluft geradewegs auf das Einspritzventil zu, wodurch so­ wohl eine gute Reinigung als auch eine gute Kühlung der geringfügig in den Brennraum hinein ragenden Spitze des Einspritzventils erreicht wird.

Vorteilhaft weisen die beiden seitlichen Einlaßventile einen maximalen Ab­ stand zueinander auf. Zudem sollten die beiden seitlichen Einlaßventile in Schließstellung einen minimalen Abstand zu der Achse der Kurbelwelle auf­ weisen. Diese beiden Merkmale begünstigen die Erzeugung der durch die beiden seitlichen Einlaßventile in den Brennraum eintretenden starken Tumbleströmung.

Das Einspritzventil kann in einem Winkel von ca. 60 bis 75 Grad zur Achse des Zylinders geneigt angeordnet sein. Dadurch kann das Einspritzventil zwischen den beiden Auslaßventilen und dem an die Auslaßventile angren­ zenden Abschnitt der Zylinderwand den zur Verfügung stehenden Bauraum in besonders platzsparender Weise nutzen. Bevorzugt weist das Einspritz­ ventil einen Bendwinkel auf, um den Einspritzstrahl abzulenken. Mit Hilfe dieses Bendwinkels kann die Richtung des Einspritzstrahls so gewählt wer­ den, daß eine optimale Gemischaufbereitung möglich ist.

Außerdem ist es bevorzugt, wenn im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eine kegelförmige Ausnehmung für die Spitze des Einspritzventils vorgese­ hen ist. Denn durch diese Ausnehmung kann vermieden werden, daß der an der Spitze austretende Einspritzstrahl auf den nahe am Einspritzventil gele­ genen heißen Bereich des Zylinderkopfes auftrifft, was die Gemischaufberei­ tung in ungünstiger Weise beeinflussen würde.

Zweckmäßig spritzt das Einspritzventil für den homogenen Magerbetrieb während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 360 bis 300 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder ein. Während des Ansaugtaktes ist die Einspritzströmung zur Frischluftströmung entgegengesetzt. Dadurch erhöht sich die Relativge­ schwindigkeit zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der eingesaugten Frischluft, was eine gute Verdampfung und eine homogene Durchmischung bewirkt. Zudem wird in Richtung des nach unten gehenden Kolbens eine Strahlablenkung erreicht, so daß die Benetzung des einlaßseitigen Ab­ schnitts der Zylinderwand verringert wird.

Und für den geschichteten Magerbetrieb spritzt das Einspritzventil während des Kompressionstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 85 bis 30 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylin­ der ein. Auf diese Weise kann innerhalb des Brennraumes schicht- bezie­ hungsweise stellenweise ein zündfähiges Gemisch erzeugt werden.

In einer besonderen Ausführungsform ist die Brennraummulde des Kolbens in einer Projektion entlang der Achse des Zylinders etwa herzförmig ausge­ bildet. Diese Form eignet sich hervorragend, um die Tumbleströmung in der Brennraummulde zusammenzuführen.

Die Brennraummulde des Kolbens kann sich auch über die Mittellinie des Koben hinaus erstrecken, welche den Kolben in zwei Hälften teilt.

Außerdem weist die Brennraummulde des Kolbens bevorzugt eine Spiegel­ ebene auf, welche die Mittellinie des Kolbens senkrecht schneidet.

Besonders bevorzugt weist die Brennraummulde des Kolbens im Bereich der Mittellinie des Kolbens parallel zur Achse des Zylinders orientierte Begren­ zungswände auf, damit die in der Brennraummulde zusammengeführte Tumbleströmung während des Kompressionshubs nach oben umgeleitet werden kann.

Schließlich sollte der Kolben dachförmig ausgebildet sein, wobei der Dach­ first im wesentlichen entlang der Mittellinie des Kolbens verlaufen sollte.

Durch diese Ausgestaltung des Kolbens ist eine Brennraumform geschaffen, die ausreichende Quetschflächen bietet und ein hohes Verdichtungsverhält­ nis sicherstellt.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungsfigu­ ren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine perspektivische Ansicht der Anordnung von Gaswech­ selventilen, Zündkerze, Einspritzventil und Kolben einer Brennkraftmaschine, in vereinfachter Darstellung;

Fig. 2 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 1;

Fig. 3 eine geschnittene Ansicht des Kolbens aus Fig. 1 und 2; und

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht des Kolbens senkrecht zu Fig. 3.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine pro Zylinder drei nebeneinander angeordnete Einlaßventile 1, 1', 1'' auf, die sich auf einer Halbseite des nicht dargestellten Zylinders befinden, und zwei ne­ beneinander angeordnete Auslaßventile 2, die sich auf der anderen Halbsei­ te des Zylinders befinden. Zudem weist die Brennkraftmaschine eine Zünd­ kerze 3 auf, die konzentrisch zu der Achse des Zylinders angeordnet ist. Pro Zylinder ist außerdem ein Einspritzventil 4 vorgesehen, welches zwischen den beiden Auslaßventilen 2 und dem an die Auslaßventile 2 angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeordnet ist. Schließlich zeigt Fig. 1 auch einen zugehörigen Kolben 5 mit einer Brennraummulde 6, der im Zylinder der Brennkraftmaschine hin- und hergehend angeordnet ist.

Die drei nebeneinander angeordneten Einlaßventile der Brennkraftmaschine werden über drei getrennte Einlaßkanäle mit Frischluft versorgt. Am einen Ende dieser getrennten Einlaßkanäle ist beispielsweise eine Schaltwalze vorgesehen, damit die Einlaßventile unabhängig voneinander mit Frischluft beaufschlagt werden können. Und am anderen Ende dieser getrennten Ein­ laßkanäle sind drei von den Einlaßventilen beherrschte Einlaßöffnungen vorgesehen.

Alternativ können die drei Einlaßventile aber auch separat angesteuert wer­ den, indem einzelne der Einlaßventile wahlweise zu- oder abgeschaltet wer­ den. Somit können die drei Einlaßventile unabhängig voneinander betätigt werden, so daß die Frischluft nur durch die Einlaßöffnungen der jeweils zu­ geschalteten Einlaßventile in den Zylinder gelangen kann.

Somit können die beiden seitlichen Einlaßventile 1, 1' auf verschiedene Wei­ se separat von dem mittleren Einlaßventil 1'' Frischluft in den Zylinder ein­ lassen.

Strömt die Frischluft durch die Einlaßöffnung für das mittlere Einlaßventil 1'' nur teilweise oder gar nicht in den Brennraum ein, so bildet sich aufgrund der Frischluft, die durch die beiden seitlichen Einlaßventile 1, 1' in den Brenn­ raum einströmt eine variable Tumbleströmung innerhalb des Brennraums aus. Zum besseren Verständnis ist diese Tumbleströmung in Fig. 1 pfeilar­ tig dargestellt. Die Tumbleströmung wird begünstigt, wenn die beiden seitli­ chen Einlaßventile 1, 1' einen maximalen Abstand zueinander aufweisen und in Schließstellung einen minimalen Abstand zu der Achse der Kurbelwelle aufweisen.

In der gezeigten Ausführungsform sind die Einlaßventile 1, 1', 1'' sowie die Auslaßventile 2 zu der Zündkerze 3 beziehungsweise zu der Achse des Zy­ linders jeweils geneigt angeordnet.

Auch das Einspritzventil 4 der Brennkraftmaschine ist zu der Achse des Zy­ linders geneigt angeordnet, wobei der Neigungswinkel α ca. 60 bis 75 Grad beträgt. Zudem ist das Einspritzventil 4 mit einem Bendwinkel versehen, der den Einspritzstrahl E bis zu 15 Grad nach unten in Richtung zu der Brenn­ raummulde 6 des Kolbens 5 ablenkt.

Um nun einen homogenen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine zu realisie­ ren, wird durch das Einspritzventil 4 während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 340 bis 300 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in die im Zylinder herrschende Tumbleströmung eingespritzt. Dadurch verbleibt noch genug Zeit für eine ausreichende Kraft­ stoffeinspritzung in die Frischluft und für eine homogene Durchmischung von Kraftstoff und Frischluft.

Und um einen geschichteten Magerbetrieb der Brennkraftmaschine zu reali­ sieren, wird durch das Einspritzventil 4 während des Kompressionstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 85 bis 30 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in die im Zylinder vorherrschende Tum­ bleströmung eingespritzt. Somit wird innerhalb des Brennraums ein ge­ schichtetes Gemisch mit einem zündfähigen Anteil erzeugt. Dieser zündfähi­ ge Anteil sollte in den Bereich unterhalb der Zündkerze 3 befördert werden, so daß er von dem Zündfunken der Zündkerze 3 erreichbar ist.

Die Brennraummulde 6 des Kolbens 5 ist im Brennraum den von den beiden Auslaßventilen 2 beherrschten Auslaßöffnungen im wesentlichen gegen­ überliegend angeordnet. Dabei ist die Brennraummulde 6 in der Projektion entlang der Achse des Zylinders etwa herzförmig ausgebildet und erstreckt sich geringfügig über die Mittellinie M des Kolbens 5, welche den Kolben 5 in die zwei Halbseiten teilt, hinaus zu der einen Halbseite des Zylinders hin.

Darüber hinaus weist die Brennraummulde 6 des Kolbens 5 eine Spiegel­ ebene S auf, welche die Mittellinie M des Kolbens 5 senkrecht schneidet, und weist die Brennraummulde 6 im Bereich der Mittellinie M des Kolbens 5 eine parallel zur Achse des Zylinders orientierte Begrenzungswand 7 auf, die zur Umlenkung der Tumbleströmung dient.

Auch ist der Kolben 5 dachförmig ausgebildet, wobei der Dachfirst 8 im we­ sentlichen entlang der Mittellinie M des Kolbens 5 verläuft. Im Bereich der Brennraummulde 6 weicht der Dachfirst 8 lediglich so weit von der Mittellinie M des Kolbens 5 ab, wie sich die Brennraummulde 6 über die Mittellinie M des Kolbens 5 hinaus erstreckt.

Schließlich weist der Kolben 5 noch einige Quetschflächen 9 auf, die den von den drei Einlaßventilen 1, 1', 1'' beherrschten Einlaßöffnungen gegen­ überliegend angeordnet sind.

Claims (12)

1. Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Einlaßventilen, zwei nebeneinander angeordneten Auslaßventilen, ei­ nem Einspritzventil und einem Kolben pro Zylinder, wobei das Ein­ spritzventil zwischen den beiden Auslaßventilen und dem an die Aus­ laßventile angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß drei Einlaßventile (1, 1', 1'') vorgesehen sind, wobei die beiden seitli­ chen Einlaßventile (1, 1') separat von dem mittleren Einlaßventil (1'') Frischluft in den Zylinder einlassen, und der Kolben (5) eine Brenn­ raummulde (6) aufweist, die den von den beiden Auslaßventilen (2) be­ herrschten Auslaßöffnungen gegenüberliegend angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß, die beiden seitlichen Einlaßventile (1, 1') einen maximalen Abstand zueinander aufweisen.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden seitlichen Einlaßventile (1, 1') in Schließstellung einen minimalen Abstand zu der Achse der Kurbelwelle aufweisen.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, das Einspritzventil (4) um einem Winkel (α) von ca. 30 bis 75 Grad zur Achse des Zylinders geneigt angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Einspritzventil (4) einen Bendwinkel aufweist, der den Einspritzstrahl (E) ablenkt.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 360 bis 300 Grad, bevor der Kol­ ben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder ein­ spritzt.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Kompres­ sionstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 85 bis 30 Grad, be­ vor der Kolben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylin­ der einspritzt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) des Kolbens (5) in einer Projektion entlang der Achse des Zylinders etwa herzförmig ausgebil­ det ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) des Kolbens (5) sich über die Mittellinie (M) des Kolbens (5) hinaus erstreckt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) des Kolbens (5) eine Spie­ gelebene (S) aufweist, welche die Mittellinie (M) des Kolbens (5) senk­ recht schneidet.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) des Kolbens (5) im Bereich der Mittellinie (M) des Kolbens (5) eine weitgehend parallel zur Achse des Zylinders orientierte Begrenzungswand (7) aufweist.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (5) dachförmig ausgebildet ist und der Dachfirst (8) im wesentlichen entlang der Mittellinie (M) des Kolbens (5) verläuft.