DE3903831C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Direkteinspritz- Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einer der das Brennverhalten eines Direkteinspritz-Dieselmotors beherrschenden Parameter ist das Wirbelverhältnis, d. h., das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit des Ansauggases zur Drehzahl des Motors.

Bei einer bekannten Form eines Dieselmotors der gattungsgemäßen Art ist lediglich ein normal arbeitender Ansaugdurchlaß schraubenförmig ausgebildet, wodurch in einem Bereich kleiner Motordrehzahl die Einleitung von Ansauggas durch diesen schraubenförmigen Ansaugdurchlaß einen kräftigen Wirbel des Ansauggases in der Verbrennungskammer gewährleistet, um den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern. In einem Bereich hoher Drehzahl schwächt jedoch die Einleitung des Ansauggases durch den ersten und zweiten Ansaugdurchlaß den Wirbel des Ansauggases, obwohl der Ansauggas-Ladungswirkungsgrad verbessert wird, wodurch eine Verbesserung des Ausgangsleistungsverhältnisses erhalten wird (siehe beispielsweise die JP-OS Nr. 14 426/86 sowie die dieser entsprechenden GB-OS 21 62 896).

Da der im Bereich hoher Motordrehzahl arbeitende Ansaugdurchlaß beim bekannten Dieselmotor jedoch geradlinig ausgebildet ist, wird der dem Ansauggas durch den schraubenförmigen Ansaugdurchlaß aufgeprägte Wirbel durch die geradlinige Strömung des durch den geradlinigen Ansaugdurchlaß strömenden Ansauggases wesentlich gedämpft, so daß es schwierig wird, eine gute Verbrennung zu erreichen. Speziell im Bereich hoher Drehzahl ist darüber hinaus die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Ansauggases im schraubenförmigen Ansaugdurchlaß aufgrund der Schwierigkeit der Verstärkung des Wirbels des Ansauggases durch die Wirkung der beiden Ansaugdurchlässe beschränkt, so daß der Wirbel des Ansauggases in der Verbrennungskammer weiter gedämpft wird.

Aus der DE-OS 35 07 767 ist ebenfalls ein Direkteinspritz- Dieselmotor der gattungsgemäßen Art mit zwei Ansaugdurchlässen bekannt, von denen einer geradlinig ausgebildet ist und an seiner Mündung einen Ansaugregler enthält, der im Bereich kleiner Motordrehzahl in einen geregelten Zustand und in einem Bereich hoher Motordrehzahl in einen normalen Betriebszustand gebracht wird. Der zweite Ansaugdurchlaß ist schraubenförmig ausgebildet. Auch dabei tritt also die oben anhand des Dieselmotors nach der JP-OS Nr. 14 426/86 bzw. der entsprechenden GB-OS 21 62 896 erläuterte Problematik auf.

Bei einer aus der US-PS 47 03 729 bekannten direkt einspritzenden Dieselbrennkraftmaschine sind Doppelansaugdurchlässe vorgesehen, welche zur Erzeugung gleichgerichteter Brennkammerwirbel in gleicher Richtung schraubenförmig ausgebildet sind. Dabei erfolgt jedoch die Einleitung des Ansauggases in allen Drehzahlbereichen ungeregelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Direkteinspritz-Dieselmotor der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem der für das Ansauggas in der Verbrennungskammer erforderliche Wirbel im Bereich hoher Drehzahl zusätzlich zu einer Zunahme des Ansauggas-Ladewirkungsgrades erzeugt werden kann, wodurch sowohl die Verbrennung als auch die Ausgangsleistungscharakteristik verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Dieselmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß arbeiten sowohl der erste als auch der zweite Ansaugdurchlaß im Bereich hoher Motordrehzahl, wodurch die gesamte effektive Öffnungsfläche des Ansaugdurchlasses zur Verbesserung des Ansauggas-Ladewirkungsgrades erhöht wird. Selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Ansauggases in den Ansaugdurchlässen beim Betrieb beider Ansaugdurchlässe reduziert wird, wodurch der durch die Ansaugdurchlässe erzeugte Wirbel des Ansauggases geschwächt wird, erzeugen dennoch die durch die Ansaugdurchlässe geführten Ansauggase in der Verbrennungskammer Wirbel in gleicher Richtung, die sich wechselseitig unterstützen, wodurch insgesamt der erforderliche Wirbel in der Brennkammer erzeugt wird.

Durch die punktsymmetrische Anordnung der Ansaugdurchlässe in bezug auf die Stelle der Kraftstoffeinspritzdüse unterstützen sich die durch die beiden Ansaugöffnungen erzeugten Wirbel der Ansauggase wirksamer um die Achse der Kraftstoffeinspritzdüse im Bereich hoher Motordrehzahl, so daß sich ein wirksamer Wirbel in der Brennkammer erzeugen läßt, selbst wenn der durch den jeweiligen Ansaugdurchlaß erzeugte Wirbel schwach ist.

Dadurch, daß der Durchmesser des zweiten Ansaugdurchlasses in bezug auf den Durchmesser des ersten Ansaugdurchlasses kleiner ist, ergibt sich keine schnelle Änderung in der Gesamtmenge des Ansauggases und damit keine schnelle Änderung der Motorausgangsleistung, wenn der zweite Ansaugdurchlaß durch den Ansaugregler in den normalen Zustand oder den geregelten Zustand gebracht wird. Damit wird es möglich, einen Stoß beim Übergang vom Bereich kleiner zu hoher Motordrehzahl zu reduzieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Unteransicht eines Zylinderkopfes eines Direkteinspritz-Dieselmotors gemäß der Erfindung in einer Ebene I-I in Fig. 2;

Fig. 2 und 3 jeweils einen Längsschnitt des Motors in einer Ebene II-II bzw. III-III in Fig. 1; und

Fig. 4 ein Diagramm des Ausgangsdrehmomentes als Funktion der Drehzahl gemäß der Erfindung.

Ein Motorblock E eines Dieselmotors umfaßt einen Zylinderblock 1 und einen auf der Oberseite dieses Zylinderblocks 1 liegenden Zylinderkopf 2 mit einer dazwischenliegenden Dichtung 3. Der Zylinderblock 1 und der Zylinderkopf 2 sind durch Schrauben 4 miteinander verbunden.

Der Zylinderblock 1 enthält mehrere axial zu einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle angeordnete Zylinder 5 sowie einen von den Zylindern 5 gleitend aufgenommenen Kolben 6. In der Oberseite des Kolbens 6 ist eine Ausnehmung 7 vorgesehen, welche einen Teil einer Verbrennungskammer 8 bildet, die zwischen sich gegenüberliegenden Flächen des Kolbens 6 und des Zylinderkopfes 2 ausgebildet ist.

Der Zylinderkopf 2 enthält für jeden Zylinder 5 einen ersten und zweiten Ansaugdurchlaß 9₁ und 9₂ sowie einen einzigen Abgasdurchlaß 10. Der zweite Ansaugdurchlaß 9₂ besitzt einen kleineren Durchmesser als der erste Ansaugdurchlaß 9₁.

Innere Enden des ersten Ansaugdurchlasses 9₁ und des Abgasdurchlasses 10 öffnen sich nebeneinanderliegend in die Verbrennungskammer 8 in Richtung der Anordnung der Zylinder 5, während äußere Enden des Ansaugdurchlasses 9₁ und des Abgasdurchlasses 10 sich in eine Seitenfläche des Zylinderkopfes 2 öffnen. Ein inneres Ende des zweiten Ansaugdurchlasses 9₂ öffnet sich gegensinnig zum Abgasdurchlaß 10 in die Verbrennungkammer 8, während sich ein äußeres Ende dieses Ansaugdurchlasses in die andere Seitenfläche des Zylinderkopfes 2 öffnet. Die inneren Endöffnungen des ersten und zweiten Ansaugdurchlasses 9₁ und 9₂ sind im wesentlichen punktsymmetrisch in bezug auf ein Einspritzloch einer Kraftstoffeinspritzdüse 19 angeordnet, welche im folgenden noch näher erläutert wird.

Die inneren Enden des ersten und zweiten Ansaugdurchlasses 9₁ und 9₂ sowie des Abgasdurchlasses 10 sind so angeordnet, daß sich ihre auf den Kolben 6 projizierten Flächen und die Ausnehmung 7 teilweise überlappen.

Auf den inneren Enden des ersten und zweiten Ansaugdurchlasses 9₁ und 9₂ und des Abgasdurchlasses 10 sind ein erster und zweiter Ventilsitz 12₁ und 12₂ bzw. ein Abgasventilsitz 13 vorgesehen, während der Zylinderkopf 2 ein erstes und zweites Ansaugventil 14₁ und 14₂ sowie ein Abgasventil 15 aufweist, welche mit den entsprechenden Ventilsitzen zusammenarbeiten, um die entsprechenden Durchlässe zu öffnen und zu schließen. Ein Ventilbetätigungssystem zum Öffnen und Schließen dieser Ventile ist an sich bekannt und daher nicht dargestellt.

Der erste und zweite Ansaugdurchlaß 9₁ und 9₂ besitzen jeweils einen in Strömungsrichtung hinteren Teil, der zum inneren Ende führt und in gleicher Richtung schraubenförmig ausgebildet ist, so daß um die Achse des entsprechenden Ansaugventils 14₁, 14₂ in dem durch den in Strömungsrichtung hinteren Teil fließenden Ansauggas ein Wirbel gebildet wird.

Im zweiten Ansaugdurchlaß 9₂ ist ein Ansaugregler 16 montiert. Dieser Ansaugregler 16 dient dazu, den zweiten Ansaugdurchlaß 9₂ in einen geregelten Zustand, beispielsweise in einen unwirksamen Zustand in einem Bereich kleiner Motordrehzahl und in einen normalen Zustand bzw. einen wirksamen Zustand im Bereich hoher Motordrehzahl zu bringen.

Der Ansaugregler 16 kann beispielsweise durch ein im zweiten Ansaugdurchlaß 9₂ montiertes öffnendes und schließendes Ventil 17 sowie eine Betätigungseinrichtung 18 zum Schließen des Ventils 17 im Bereich kleiner Motordrehzahl und Öffnen dieses Ventils im Bereich hoher Motordrehzahl gebildet werden.

Der Ansaugregler kann ein dem Ventilbetätigungssystem des zweiten Ansaugventils 14₂ zugeordneter bekannter Mechanismus zum Steuern des Ansaugventils 14 ₂ sein. In diesem Falle wird der Mechanismus im Bereich kleiner Motordrehzahl so betätigt, daß das zweite Ansaugventil 14₂ in geschlossenem Zustand gehalten wird, während er im Bereich hoher Motordrehzahl so betätigt wird, so daß das zweite Ansaugventil 14 ₂ wie üblich öffnen und schließen kann.

Die zu einer (nicht dargestellten) Kraftstoffeinspritzpumpe führenden Kraftstoffeinspritzdüse 19 ist im Zylinderkopf 2 benachbart zu einer Seite des zweiten Ansaugdurchlasses 9₂ montiert, wobei das Einspritzloch der Kraftstoffeinspritzdüse 19 so angeordnet ist, daß es dem zentralen Teil der Ausnehmung 7 zugekehrt ist, wenn der entsprechende Kolben 6 seinen oberen Totpunkt erreicht hat.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der beschriebenen Ausführungsform erläutert. Im Bereich kleiner Motordrehzahl einschließlich des Leerlaufs bewirkt der Ansaugregler 16, daß der zweite Ansaugdurchlaß 9₂ in seinen unwirksamen Zustand gebracht wird, so daß Ansauggas lediglich durch den ersten Ansaugdurchlaß 9₁ in die Verbrennungskammer 8 eingeleitet wird.

Im Bereich hoher Motordrehzahl bewirkt der Ansaugregler 16, daß der zweite Ansaugdurchlaß 9₂ in seinen wirksamen Zustand gebracht wird, so daß Ansauggas durch den ersten und zweiten Ansaugdurchlaß 9₁ und 9₂ in die Verbrennungskammer 8 eingeleitet wird.

Im Bereich kleiner Drehzahl ist die Strömungsgeschwindigkeit des lediglich durch den ersten Ansaugdurchlaß 9₁ strömenden Ansauggases relativ hoch, so daß das Ansauggas mit einem durch den schraubenförmigen in Strömungsrichtung hinteren Teil des ersten Ansaugdurchlasses 9₁ bewirkten kraftvollen Wirbel in die Verbrennungkammer 8 eingeleitet wird. Wird Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüse 19 in die Verbrennungskammer 8 eingespritzt, so ergibt sich in dieser daher ein richtiges Luft/Kraftstoff-Gemisch, wodurch der Verbrennungswirkungsgrad erhöht wird. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des Drehmotors bei kleiner Drehzahl, wie dies durch die Kurve a -b in Fig. 4 dargestellt ist.

Im Bereich hoher Motordrehzahl strömt das Ansauggas sowohl durch den ersten als auch den zweiten Ansaugdurchlaß 9₁ und 9₂, wodurch der Widerstand für das Ansauggas reduziert wird, was zu einem erhöhten Ladewirkungsgrad für die Verbrennungskammer 8 und damit zu einer Verbesserung der Ausgangsleistungscharakteristik führt. In diesem Falle tritt unabhängig von der Wirkungsweise des zweiten Ansaugdurchlasses 9₂ keine schnelle Änderung in der Gesamtmenge des Ansauggases und damit keine schnelle Änderung in der Ausgangsleistung des Motors auf, wodurch Stoßerscheinungen vermindert werden, weil der zweite Ansaugdurchlaß 9₂ einen kleineren Durchmesser als der erste Ansaugdurchlaß 9₁ besitzt. Darüber hinaus wird die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit des Ansauggases im Ansaugdurchlaß 9₁ bzw. 9₂ aufgrund des Durchtritts des Ansauggases durch die beiden Ansaugdurchlässe 9₁ und 9₂ reduziert. Selbst wenn der im jeweiligen schraubenförmigen in Strömungsrichtung hinteren Teil der Ansaugdurchlässe 9₁ und 9₂ hervorgerufene Wirbel des Ansauggases geschwächt wird, unterstützen die durch die Ansaugdurchlässe 9₁ und 9₂ in die Verbrennungskammer 8 eingeleiteten Ansauggase wechselseitig die Wirbel, da diese Wirbel in gleicher Richtung liegen. Speziell unterstützen die Ansauggase, welche durch die punktsymmetrisch in bezug auf das Einspritzloch der Kraftstoffeinspritzdüse 19 angeordneten Ansaugdurchlässe 9₁ und 9₂ strömen, die wechselseitigen Wirbel um die Achse der Kraftstoffeinspritzdüse 19. In der Verbrennungskammer 8 ist daher ohne Reduzierung der Verbrennungseigenschaften der gewünschten Ansaugwirbel sichergestellt. Dies führt zu einer Verbesserung des Drehmomentes bei hoher Drehzahl, wie dies durch die Kurve b -c in Fig. 4 dargestellt ist.

Versuche haben gezeigt, daß die Anforderungen sowohl hinsichtlich des Ansauggas-Ladewirkungsgrades und der Verbrennungseigenschaften erfüllt werden, wenn das Wirbelverhältnis im Bereich hoher Drehzahl gleich 20 bis 50% des Wirbelverhältnisses im Bereich kleiner Drehzahl ist.

Das Gesamtwirbelverhältnis Sr bei Wirksamwerden beider Ansaugdurchlässe 9₁ und 9₂ ist durch folgende Gleichung gegeben:

Darin bedeuten SR₁ ein Wirbelverhältnis, wenn lediglich der erste Ansaugdurchlaß 9₁ wirksam ist; SR₂ ein Wirbelverhältnis, wenn lediglich der zweite Ansaugdurchlaß 9₂ wirksam ist; Zm₁ eine mittlere effektive Öffnungsfläche des ersten Ansaugdurchlasses 9₁ für das Ventil; Zm₂ eine mittlere effektive Öffnungsfläche des zweiten Ansaugdurchlasses 9₂ für das Ventil; α₁ einen Kurbelwinkel für die Öffnung des ersten Ansaugventils 14₁; α₂ einen Kurbelwinkel für das Schließen des ersten Ansaugventils 14₁; α₃ einen Kurbelwinkel für das Öffnen des zweiten Ansaugventils 14₂; und α₄ einen Kurbelwinkel für das Schließen des zweiten Ansaugventils 14₂.

Claims (3)

1. Direkteinspritz-Dieselmotor mit einem Zylinderblock (1), in dem sich eine Reihe von je einen verschiebbaren Kolben (6) aufnehmenden Zylindern (5) befindet, mit einem auf der Oberseite des Zylinderblocks (1) angebrachten Zylinderkopf (2), mit in dem Zylinderkopf (2) gehalterten Kraftstoff-Einspritzdüsen (19), von denen jeweils eine direkt Kraftstoff in eine Verbrennungskammer (8) spritzt, die durch jeweils einen Kolben (6) und den Zylinderkopf (2) begrenzt ist, mit je zwei voneinander unabhängigen Ansaugdurchlässen (9₁, 9₂) in dem Zylinderkopf (2), die Ansauggase in je eine Verbrennungskammer (8) einführen, und mit je einem einzigen Abgasdurchlaß (10) in dem Zylinderkopf (2), der Abgas aus je einer Verbrennungskammer (8) abführt, wobei die stromabwärtigen Mündungen der beiden Ansaugdurchlässe (9₁, 9₂) jeder Verbrennungskammer (8) im wesentlichen punktsymmetrisch zur Kraftstoff-Einspritzdüse (19) in jeder Verbrennungskammer (8) liegen und bei dem die stromaufwärtige Mündung des Abgasdurchlasses (10) jeder Verbrennungskammer (8) neben der stromabwärtigen Mündung eines der Ansaugdurchlässe (9₁, 9₂) jeder Verbrennungskammer (8) in Richtung der Reihe der Zylinder (5) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem zweiten Ansaugdurchlaß (9₂) ein Ansaugregler (16) angeordnet ist, der geregelt den Strom des Ansauggases durch den zweiten Ansaugdurchlaß (9₂) vermindert oder unterbricht, wenn die Drehzahl des Dieselmotors in einem niedrigen Bereich liegt, und der den Strom des Ansauggases durch den zweiten Ansaugdurchlaß (9₂) groß macht, wenn die Drehzahl des Dieselmotors in einem hohen Bereich liegt, und daß die beiden Ansaugdurchlässe (9₁, 9₂) gleichsinnig schraubenförmig zur Erzeugung von Wirbeln gleichen Sinnes in den Ansauggasen verlaufen.

2. Direkteinspritz-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ansaugdurchlässe (9₂) einen kleineren Querschnitt als die ersten Ansaugdurchlässe (9₁) aufweisen.

3. Direkteinspritz-Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der jede Verbrennungskammer (8) begrenzenden Oberseite jedes Kolbens (6) eine Ausnehmung (7) vorgesehen ist, daß die Projektionen der inneren Mündungen der beiden Ansaugdurchlässe (9₁, 9₂) und des Abgasdurchlasses (10) auf die Oberseite des Kolbens (6) die Ausnehmung (7) teilweise überlappen und daß die Kraftstoffeinspritzdüse (19) beim oberen Totpunkt des Kolbens in einen zentralen Teil der Ausnehmung (7) gerichtet ist.