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Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Dokument DE10307456A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10307456A1 16.09.2004
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Ottowitz, Alfred, 85084 Reichertshofen, DE
DE-Anmeldedatum 21.02.2003
DE-Aktenzeichen 10307456
Offenlegungstag 16.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.09.2004
IPC-Hauptklasse F02M 25/07
IPC-Nebenklasse F02B 31/04   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer fremdgezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem in einem Zylindergehäuse (12) verschiebbar geführten Kolben (16), einem Zylinderkopf (18) mit darin befindlichen Brennraum (20), mit in den Brennraum (20) mündenden Einlass- (22, 24) und Auslasskanälen (26), die mittels Gaswechsel-Ventilen (28, 30) gesteuert sind, wobei die Konfiguration der Einlasskanäle (22, 24) eine Tumbleströmung der Verbrennungsluft im Brennraum (20) bewirken, sowie mit einer in den Brennraum (20) einragenden Zündquelle (34) und einer Einspritzdüse (36) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum (20), wobei zur Verbesserung der Abgasreinigung und des Verbrennungsablaufes zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas so zugeführt wird, dass es zumindest im Zeitpunkt der Zündung des Brennstoff-Luftgemisches im Brennraum (20) außerhalb des Bereiches der Zündquelle (34) geführt ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren beschreibt beispielsweise die DE 197 13 029 C2, bei der zumindest ein Auslassventil und zwei Einlassventile als Gaswechselventile vorgeschlagen sind, wobei die einander benachbarten Einlasskanäle so ausgeführt sind, dass im Brennraum der Brennkraftmaschine eine Tumbleströmung initiiert wird. Diese walzenförmige Tumbleströmung wird durch die Konfiguration der Kolbenoberfläche (konkave Bereiche mit T-förmigen Leitrippen) noch verstärkt. In eine der so gebildeten Kolbenmulden wird dann direkt der Brennstoff eingespritzt und mittels einer zentral oberhalb des Kolbens angeordneten Zündkerze gezündet.

Derartige, auch als Mager-Mix-Motoren bekannte, Brennkraftmaschinen erlauben das Betreiben bei sehr hohen Lambdawerten (hoher Verbrennungsluft-Überschuss) bei noch zündfähigen Gemischen im Brennraum mit damit einher gehenden niedrigen Brennstoffverbräuchen der Brennkraftmaschine. Mit der initiierten Tumbleströmung soll einerseits der eingespritzte Brennstoff in den Bereich der Zündkerze verbracht und dort innig mit Verbrennungsluft vermischt zündbar sein, andererseits soll die Anlagerung von Brennstoff an den Brennraumwänden vermieden werden. Hinsichtlich weiterer Details wird beispielsweise auf die vorstehend genannte Druckschrift verwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mittels dem bei Brennkraftmaschinen mit Tumbleströmung beim Gaswechsel weitere Verbesserungen insbesondere in der Abgasreinigung und in der Beherrschung der Bauteiletemperaturen erzielbar sind.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 6 aufgeführt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas, bevorzugt aus dem Auslasstrakt der Brennkraftmaschine entnommenes Abgas, so zugeführt wird, dass es zumindest im Zeitpunkt der Zündung des Brennstoff-Luftgemisches im Brennraum außerhalb des Bereiches der Zündquelle geführt ist. Überraschend hat sich ergeben, dass selbst bei sehr hohen Lambdawerten bzw. extrem magerem Brennstoff-Luftgemisch im Bereich der Zündquelle, z.B. einer Zündkerze, das rückgeführte Abgas keine Zündaussetzer verursacht, andererseits aber wirksam die Brennraumtemperaturen senken kann (verminderte Stickoxidbildung). Daraus resultierend können auch die Bauteiltemperaturen abgesenkt werden, so dass die Gefahr der Bildung von hot spots an den ßrennraumwänden verringert ist; zudem kann vermehrt der Bildung von Kohlen-Wasserstoff (HC) Emissionen aus unvermeidlichen Toträumen des Brennraumes (z.B. Ringspalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderbohrung) entgegengewirkt werden, wenn diese Räume mit Inertgas bzw. Abgas gespült werden.

Als besonders wirksam im Sinne der vorstehenden Verbesserungen hat sich eine Zuführung des Inertgases bzw. Abgases herausgestellt, wenn dieses beiderseits der durch die Tumbleströmung im Brennraum gebildeten Strömungswalze angelagert wird. Damit bilden sich im wesentlichen drei einander benachbarte Strömungswalzen heraus, von denen die mittlere zunächst aus der Verbrennungsluft und dem eingespritzten Brennstoff gebildet und von den beiden seitlichen Strömungswalzen aus überwiegend Abgas eingeschlossen bzw. begrenzt wird.

Die Ausbildung dieser seitlichen Strömungswalzen der Tumble-strömung im Brennraum der Brennkraftmaschine kann durch geeignete zusätzliche Einlasskanäle im Zylinderkopf initiiert werden, bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, das Inertgas bzw. das Abgas in die vorhandenen Einlasskanäle zuzuführen, wobei diese Zuführung stromab der die Tumbleströmung erzeugenden Konfiguration (entweder entsprechende Kanalführung und/oder Strömungsleitklappen) erfolgen muss. Mit letzterem Vorschlag kann das erfindungsgemäße Verfahren mit relativ geringem baulichen Mehraufwand durchgeführt werden, bei Erzielung einer weitgehend einheitlichen Strömungsführung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß Anspruch 6 darin zu sehen, dass im Zylinderkopf bzw. in dem zumindest einem Einlasskanal stromab der eine Tumbleströmung erzeugenden Konfiguration ein zusätzliches Strömungsleitelement angeordnet ist, in dessen Bereich eine Öffnung im Einlasskanal zum Zuführen von Inertgas bzw. Abgas vorgesehen ist. Dieses Strömungsleitelement teilt in baulich einfacher Weise die Strömung im Einlasskanal auf in einen Hauptstrom mit Verbrennungsluft und einen seitlich dazu liegenden Teilstrom mit Inertgas bzw. rückgeführtem Abgas.

Die Strömungsführung mit beiderseits einer zentralen Tumbleströmung ausgebildeten Strömungswalzen aus Abgas kann vorteilhaft im Brennraum dadurch noch verstärkt werden, dass etwa unterhalb der Strömungsleitelemente im Kolben jeweils eine Mulde ausgebildet ist, welche Mulden seitlich zu einer der Zündquelle gegenüber liegenden Mulde positioniert sind. Die seitlichen Mulden können dabei in der Draufsicht etwa oval, aber mit einer jeweils der mittleren Mulde benachbarten, quer zur Kurbelwellendrehachse der Brennkraftmaschine geradlinig verlaufenden Rippenflanke gestaltet sein. Dies erlaubt bei einer strömungsgünstigen Konfiguration der Rippenflanke eine davon unabhängige übrige Gestaltung der Rippe, angepasst an die durch die Kolbengröße vorgegebenen baulichen Verhältnisse.

Ferner kann die mittlere Mulde des Kolbens in Rotationsrichtung der Tumbleströmung gesehen sich verengen und die seitlich einragende Einspritzdüse auf den sich verengenden Muldenbereich ausgerichtet sein, wodurch sich in Verbindung mit einer sich dadurch angrenzenden Quetschfläche eine turbulente Strömung im unmittelbaren Bereich der Zündquelle mit einer Konzentration des Brennstoffes an der Zündquelle einstellt. Dies bewirkt eine sichere Zündung des im Umfeld extrem mageren Brennstoff Luftgemisches und ein zuverlässiges Durchbrennen der Brennstoff-Anteile über den Verbrennungsverlauf im Brennraum.

Schließlich können die Strömungsleitelemente in den Einlasskanälen bevorzugt einen definierten Abstand und eine definierte Länge zu den Umfangswänden der Einlasskanäle aufweisen, um eine gezielte Strömungsverteilung der Tumbleströmung im Brennraum sicherzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.

Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in:

1 einen Querschnitt entlang der Linie I–I der 2 durch eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur geschichteten Abgasrückführung beiderseits einer zentralen Tumbleströmung im Brennraum;

2 einen Längsschnitt gemäß Linie II–II der 1 durch die Brennkraftmaschine;

3 einen weiteren Schnitt gemäß Linie III–III der 1 durch einen der Einlasskanäle mit einem Strömungsleitelement; und

4 eine Draufsicht gemäß Pfeil X in der 1 auf die dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandte Kolben-Oberfläche.

In den 1 und 2 ist in stark schematisierter Ausführung eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 dargestellt, mit einem Zylindergehäuse 12, in dem ein oder mehrere Zylinderbohrungen 14 vorgesehen sind. In der Zylinderbohrung 14 ist ein Kolben 16 zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt verschiebbar geführt, der in bekannter Weise über ein Pleuel und einen Kolbenbolzen mit dem Hubzapfen einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. Es sei bemerkt, dass – so weit nicht beschrieben – die Brennkraftmaschine 10 bekannter Bauart sein kann.

Auf dem Zylindergehäuse 12 ist ein nur teilweise dargestellter Zylinderkopf 18 befestigt, der in bekannter Weise zusammen mit der Kolben-Oberfläche 16a und der Zylinderwand 14 den Brennraum 20 der Brennkraftmaschine 10 bildet.

In dem Zylinderkopf 18 sind zwei Einlasskanäle 22, 24 und zwei Auslasskanäle 26 (es ist nur ein Auslasskanal ersichtlich) angeordnet, die in bekannter Weise von Gaswechselventilen bzw. Einlassventilen 28 und Auslassventilen 30 gesteuert sind. Die Einlasskanäle 22, 24 und die beiden Auslasskanäle 26 sind jeweils einander benachbart und liegen beiderseits einer durch die Kurbelwellen-Drehachse und die Zylinder-Mittelachse 14a aufgespannten Ebene (links- und rechtsseitig der Zylinder-Mittelachse 14a der 1).

In den dachförmigen Verdichtungsraum 32 innerhalb des Zylinderkopfes 18 münden ferner eine zentral in der Zylinder-Mittelachse 14a eine Zündquelle bzw. Zündkerze 34 und eine nur angedeutete Brennstoft-Einspritzdüse 36, mittels der Brennstoff direkt in den Brennraum 20, 32 einspritzbar ist. Die Einspritzdüse 36 ist zwischen den beiden, einander benachbarten Einlasskanälen 22, 24 angeordnet und spritzt den Brennstoff (vgl. 1) etwa schräg nach unten und der Zylinder-Mittelachse 14a zu ein.

Die beiden Einlasskanäle 22, 24 sind so konfiguriert, dass bei geöffneten Einlassventilen 28 der einströmenden Verbrennungsluft (vgl. in Doppellinien eingezeichnete Pfeile in den 1 und 2) eine Tumbleströmung ( Fachbegriff für eine Strömungswalze mit einer quer zur Zylinder-Mittelachse 14a gerichteten, fiktiven Drehachse) aufgeprägt wird, die ggf. noch durch in den Einlasskanälen schwenkbar angeordnete Strömungsleitklappen 38 und Strömungsleitblechen 40 (vgl. 1) steuerbar ist.

Stromab dieser Strömungsleitklappen 38 bzw. relativ nahe der Mündung der Einlasskanäle 22, 24 in den Brennraum 20, 32 sind Strömungsleitelemente in der Art von Strömungsleitblechen 40 fest in die Einlasskanäle 22, 24 eingesetzt, die über ca. 90 Grad in Umfangsrichtung verlaufend (vgl. insbesondere 3) und über eine definierte Länge (siehe 1) sowie in einem definiertem Abstand s zur Umfangswand der Einlasskanäle angeordnet sind. Die Strömungsleitelemente 40 bilden dementsprechend je einen Ringspalt s, in den ein Stichkanal 42 für die Zufuhr von Inertgas bzw. aus dem nicht dargestelltem Abgastrakt der Brennkraftmaschine 10 rückgeführtem Abgas mündet.

Die Anordnung der Strömungsleitelemente 40 (siehe 2 und 3) ist dabei so, dass die Tumbleströmung in den Brennraum 20, 32 aufgeteilt wird in eine zentrale Tumbleströmung 44a mit Verbrennungsluft um die Zylinder-Mittelachse 14a und zwei seitliche Tumbleströmungen bzw. Strömungswalzen 44b, 44c aus rückgeführtem Abgas, wobei die Strömungsleitelemente 40 seitlich und mit Bezug zu den einander benachbarten Einlasskanälen 22, 24 (vgl. 2) am weitesten voneinander beabstandet sind und somit die beschriebene Strömungsaufteilung in den Einlasskanälen und danach im Brennraum 20, 32 ermöglichen.

Unterhalb der jeweiligen fiktiv aufgeteilten Strömungswalzen 44a, 44b, 44c sind in der Kolben-Oberfläche (siehe auch 4) Mulden 16a, 16b, 16c eingearbeitet, die über nach oben ragende Rippen 16d und 16e voneinander abgetrennt sind.

Die etwa ovalen, seitlichen Mulden 16b, 16c weisen an ihrer der zentralen Mulde 16a benachbarten Rippenflanke 16f, 16g einen geradlinigen Verlauf auf, der quer zur Kurbelwellen-Drehachse (= Längsschnittebene II–II der 1) ausgerichtet ist und eine seitliche Ausrichtung bzw. Abtrennung der seitlichen Tumbleströmungen 44b und 44c fördert.

Ferner ist die unterhalb der Zündkerze 34 zentral liegende Mulde 16a in Richtung der an der Kolben-Oberfläche vorbeistreichenden zentralen Tumbleströmung 44a sich verengend ausgebildet und endet in eine plan ausgeführte Quetschfläche 16h. Aus dieser Gestaltung der Kolben-Oberfläche resultiert eine zentrale Tumbleströmung 44a, der eingeschlossen in den seitlichen Strömungswalzen 44b, 44c bei sich nach oben bewegendem Kolben 16 eine turbulente Komponente im Bereich der Zündkerze 34 aufgeprägt wird.

Die Einspritzung des Brennstoffes erfolgt dabei wie vorbeschrieben während des Verdichtungstaktes und mit Ausrichtung auf die zentrale Mulde 16a in der Kolbenoberfläche.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem in einem Zylindergehäuse verschiebbar geführtem Kolben, einem Zylinderkopf mit darin befindlichem Brennraum, mit in den Brennraum mündenden Einlass- und Auslasskanälen, die mittels Gaswechsel-Ventilen gesteuert sind, wobei die Konfiguration der Einlasskanäle eine Tumbleströmung der Verbrennungsluft im Brennraum bewirken, sowie mit einer in den Brennraum einragenden Zündquelle und einer Einspritzdüse zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas so zugeführt wird, dass es zumindest im Zeitpunkt der Zündung des Brennstoff-Luftgemisches im Brennraum (20, 32) im Wesentlichen außerhalb des Bereiches der Zündquelle (34) geführt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das inerte Gas im Wesentlichen beiderseits der durch die Tumbleströmung (44) im Brennraum (20, 32) gebildeten Strömungswalze (44a) befindet.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei Einlasskanälen (22, 24) im Zylinderkopf (18) zwei an die Tumbleströmung (44) angelagerte seitliche Strömungswalzen (44b, 44c) durch entsprechende Strömungsleitelemente (40) in den Einlasskanälen (22, 24) und/oder an der Kolbenoberfläche gebildet werden.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas Abgas der Brennkraftmaschine (10) ist, das stromab der eine Tumbleströmung (44) der Verbrennungsluft bewirkenden Konfiguration in die Einlasskanäle (22, 24) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas bzw. Abgas in den Bereich zusätzlicher, in den Einlasskanälen (22, 24) angeordneter Strömungsleitelemente (40) zugeführt wird.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (18) bzw. in dem zumindest einen Einlasskanal (22, 24) stromab der eine Tumbleströmung (44) erzeugenden Konfiguration ein zusätzliches Strömungsleitelement (40) angeordnet ist, in dessen Bereich ein Stichkanal (42) zum Zuführen von Inertgas bzw. Abgas vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinderkopf (18) je Brennraum (20, 32) zwei etwa parallel zueinander verlaufende Einlasskanäle (22, 24) vorgesehen sind, in die jeweils ein Stichkanal (42) zum Zuführen des Inertgases bzw. Abgases vorgesehen ist, wobei die Stichkanäle (42) und die entsprechenden Strömungsleitelemente (40) im Längsschnitt ( 2) betrachtet an den Umfangswänden der am weitesten voneinander entfernt liegenden Wandbereiche der Einlasskanäle (22, 24) positioniert sind.
  8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleströmung (44) durch in den Einlasskanälen (22, 24) vorgesehene Strömungsleitklappen (38) und ggf. Strömungsleitblechen (40) bewirkt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass etwa unterhalb der Strömungsleitelemente (40) im Kolben (16) jeweils eine Mulde (16b, 16c) ausgebildet ist, welche Mulden seitlich zu einer der Zündquelle (34) gegenüber liegenden Mulde (16a) positioniert sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Mulden (16b, 16c) in der Draufsicht etwa oval, aber mit einer jeweils der mittleren Mulde (16a) benachbarten, quer zur Kurbelwellendrehachse der Brennkraftmaschine geradlinig verlaufenden Rippenflanke (16f, 16g) gestaltet sind.
  11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündquelle (34) zentrisch von oben in den Brennraum (20, 32) ragt, dass die mittlere Mulde (16a) des Kolbens (16) in Rotationsrichtung der Tumbleströmung (44a) gesehen sich verengt und dass die seitlich einragende Einspritzdüse (36) auf den sich verengenden Muldenbereich ausgerichtet ist.
  12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (40) im Querschnitt durch die Einlasskanäle (22, 24) gesehen jeweils ca. 90 Grad des Umfanges der Einlasskanäle (22, 24) mit definiertem Abstand (s) zur Umfangswand abdecken.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (40) sich über eine definierte Länge entlang den Einlasskanälen (22, 24) erstrecken und dicht vor der Mündung der Einlasskanäle (22, 24) in den Brennraum (20, 32) enden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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