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Dokumentenidentifikation DE102004021363A1 24.11.2005
Titel Verfahren zur Steuerung der Zylinderinnenströmung (Einlassdrall) an einer Brennkraftmaschine und direkt einspritzende Brennkraftmaschine
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Boestfleisch, Volker, 74172 Neckarsulm, DE
DE-Anmeldedatum 30.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004021363
Offenlegungstag 24.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.11.2005
IPC-Hauptklasse F02B 31/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drallsteuerung innerhalb eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer direkteinspritzenden Selbstzündungsbrennkraftmaschine. Es wird vorgeschlagen, durch ein von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängiges Verschließen oder Öffnen jeweils eines von zwei Einlass-Drallkanälen entgegengesetzte Drallströmungen zu bewirken. Die Erfindung betrifft weiter eine Brennkraftmaschine, deren Drall-Einlasskanäle eine Formgebung und/oder Strömungsleitmittel aufweisen, die entgegengesetzte Drallrichtungen des einzubringenden Mediums bewirken.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine nach Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach Oberbegriff des Anspruchs 7.

Direkt einspritzende Brennkraftmaschinen, insbesondere direkt einspritzende Selbstzündungsbrennkraftmaschinen, erfreuen sich aufgrund ihres guten Wirkungsgrades großer Beliebtheit, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen. Neben gutem Wirkungsgrad und geringem Kraftstoffverbrauch wird zunehmend eine dynamische Kraftentwicklung gefordert, insbesondere wenn ein Einsatz in hochklassigen Kraftfahrzeugen beabsichtigt ist. Aus diesem Grund ist im Stand der Technik zur Unterstützung des optimalen Verbrennungsablaufes bekannt, im Brennraum eine Gemischverwirbelung durch einen dem jeweiligen Motorbetriebspunkt genau angepassten Einlassdrall zu bewirken. Dieser Einlassdrall wird durch die Formgestaltung der Einlasskanäle sowie, insbesondere bei Motoren mit mehreren Einlasskanälen pro Zylinder, mit Hilfe einer Klappensteuerung erreicht. Bei hoher Motorlast ist ein geringer Einlassdrall, bei Teillast hingegen ein höherer Einlassdrall zum optimalen Verbrennungsverlauf erforderlich. Aus der EP 0 214 251 B1 beispielsweise ist bekannt, die Drallanpassung mittels eines im Füllungskanal angeordneten, verstellbaren Strömungsleitorgans zu bewirken. Eine Strömungsbeeinflussung im Sinne einer Drallgabe am Einlassventil einer Brennkraftmaschine ist aus der GB 2 242 228 bekannt; ein verstellbares, dem Einlassventil vorgeordnetes Klappenelement bewirkt hier durch Strömungslenkung eine Drallgabe. Aus der DE 43 10 839 ist bekannt, zusätzlich zu einem drallgebenden Füllkanal einen drallfrei gestalteten Füllkanal vorzusehen, wobei der drallfreie Füllkanal mit einer Abgasrückführeinrichtung gekoppelt ist. Eine einlassdrallverstärkende, elastisch verformbare und nach Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steuerbare Ausführungsform eines Einlasskanals ist aus der DE 314 18 808 A1 bekannt. Aus der DE 195 11 136 A1 ist eine Tumbleströmungs-verstärkende Ausführungsform einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine die Verbrennungsluft um eine Längsachse des Zylinders in den Brennraum zuführende und um diese Längsachse drallgebende Brennkraftmaschine ist aus der DE 100 48 238 A1 bekannt, wobei die Drallströmung über ein Stellglied variiert wird.

Diesen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist gemein, dass in jedem Betriebszustand ein bestimmter Mindestdrall vorliegt. Alle bekannten, den Drall variierenden Ausführungsformen bewirken innerhalb des Steuer- beziehungsweise Regelbereichs eine Drallerhöhung.

Aufgabe der Erfindung ist, eine weitere Spreizung des möglichen Einlassdralls für den Bereich zwischen Volllast und Minimallast, insbesondere für Teillast zu bewirken, so dass im Teillastbereich der Brennkraftmaschine ein hoher und bei voller Last ein sehr niedriger oder gar kein Drall vorliegt. Hierzu wird ein Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine mit mindestens zwei jeweils dem einzubringenden Medium drallgebenden Drall-Einlasskanälen pro Zylinder vorgeschlagen, von denen mindestens einer in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine teilweise oder ganz geöffnet oder geschlossen werden kann, wobei die Drehrichtungen der Drallströmungen der einzubringenden Medien der beiden Einlasskanäle einander entgegengesetzt ausgebildet werden. Bei Schließung des verschließbaren Drall-Einlasskanals liegt demnach nur eine Drallströmung, nämlich des nicht verschlossenen Drall-Einlasskanals, mit einer bestimmten Drehrichtung vor. Mit zunehmender Öffnung des zweiten, verschließbaren Drall-Einlasskanals wird in den Brennraum zunehmend und – abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine – eine weitere, der ersten Drallströmung entgegengesetzt wirkende, nämlich entgegengerichtete Drallströmung eingebracht. Hierdurch wird ein im Brennraum herrschender Gesamtdrall bewirkt, der geringer ist als der Drall, der sich bei nur einem geöffneten Drall-Einlasskanal ergibt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, nach dem die Öffnungsstellung oder Schließstellung des zweiten Drall-Einlasskanals gesteuert wird, der jeweilige Lastzustand der Brennkraftmaschine gewählt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird jeweils einer von zwei Einlass-Drallkanälen mit zunehmender Motorlast der Brennkraftmaschine weiter geöffnet und mit abnehmender Motorlast der Brennkraftmaschine weiter geschlossen. Hierdurch wird bei zunehmender Motorlast ein zum ursprünglichen Einlassdrall entgegengesetzt wirkender, zweiter Einlassdrall bewirkt, der dem ersten Einlassdrall um so stärker entgegenwirkt, je höher die Motorlast ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite dem ersten Einlass-Drallkanal entgegengesetzt drallgebende Einlass-Drallkanal bei Volllast des Motors ganz geöffnet ist.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, die Drallsteuerung der beiden entgegengesetzt wirkenden Drall-Einlasskanäle so vorzunehmen, dass sich die entgegengesetzten Drallströmungen bei Volllast im Wesentlichen aufheben. Damit ist bewirkt, dass der größte Einlassdrall bei geringer Motorlast vorliegt, und bei hoher Motorlast ein Einlassdrall nahe Null besteht.

Bei einer weiteren Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, die Drallsteuerung so vorzunehmen, dass die Durchsatzvolumina beider Einlass-Drallkanäle bei Vollöffnung des verschließbaren Einfass-Drallkanals im Wesentlichen gleich groß sind.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine direkteinspritzende Selbstzündungsbrennkraftmaschine, die mindestens zwei jeweils dem einzubringenden Medium drallgebende Drall-Einlasskanäle pro Zylinder aufweist, von denen mindestens einem eine Schließvorrichtung zum in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erfolgenden teilweisen oder vollständigen Öffnen oder Schließen zugeordnet ist, wobei die Drall-Einlasskanäle eine Formgebung und/oder in den Drall-Einlasskanälen befindliche Strömungsleitmittel aufweisen, die entgegengesetzte Drallrichtungen des einzubringenden Mediums bewirken. Die Vorgabe der Drallrichtung kann sehr vorteilhaft durch eine konstruktive Ausgestaltung der Drallkanäle erreicht werden, beispielsweise dadurch, dass die drallgebenden Strömungsleitmittel so angeordnet werden, dass sie bezüglich der beiden Drall-Einlasskanäle eine gegensinnige Drallströmung bewirken.

Ebenso ist es möglich, den Drall dadurch zu erzeugen, dass die Drall-Einlasskanäle so an dem Zylinder angeordnet sind, dass jeweils eine im Kanal noch drallfreie Strömung des einzubringenden Mediums ihren Drall beim Einströmen in den Brennraum dadurch erhält, dass der zugehörige Drall-Einlasskanal einen vorgegebenen Winkel zum Brennraum einnimmt.

Nach einer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, die drallgebenden Mittel beider Einlasskanäle so auszubilden, dass sie dem einzubringenden Medium den im Wesentlichen gleichen Drallimpuls verleihen. Bei einer weiteren bevorzugten Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Einlass-Drallkanäle so auszubilden, dass sie bei Vollöffnung des verschließbaren Einlass-Drallkanals den in Wesentlichen gleichen freien Querschnitt aufweisen. Zusammen mit dem gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Drallimpuls bewirken die beiden Einlass-Drallkanäle somit bei Vollöffnung (nämlich im Volllastbereich der Brennkraftmaschine) eine praktisch vollständige Aufhebung der in den Brennraum eingebrachten Drallströmungen. Dies erlaubt eine praktisch drallfreie Gemischeinbringung in den Brennraum und eine bei Volllast geforderte praktisch drallfreie Verbrennung. Gleichzeitig ist das mögliche Durchsatzvolumen des einzubringenden Mediums, beispielsweise Luft, durch Vollöffnung beider Kanäle gegenüber dem Betriebszustand praktisch verdoppelt, in welchem der eine Drall-Einlasskanal geschlossen ist.

Durch diese Maßnahmen wird die Drallsteuerung von praktisch Null bis zu dem durch den nicht zu verschließenden Einlass-Drallkanal vorgegebenen Maximaldrall ermöglicht. Anders als bei den konventionellen Systemen besteht im Volllastbereich der Brennkraftmaschine kein Mindestdrall. Soweit gleichwohl ein Minimaldrall benötigt wird, kann dieser sehr leicht durch geringe Abweichungen des einen Drall-Einlasskanals von dem anderen bewirkt werden. Durch geeignete, besonders hohe Drallwirkung des stets geöffneten Drall-Einlasskanals ist sichergestellt, dass bei geringer Last ein Maximaldrall besteht. Hierdurch wird maßgeblich die Bandbreite der Aufspreizung des Drallintervalls von praktisch Null bei Volllast bis zu dem konstruktiv vorgegebenen Maximaldrall bei Minimallast bestimmt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Aufsicht eines Zylinders mit zwei Einlasskanälen im Teillastbetrieb,

2 dieselbe Vorrichtung im Vollastbetrieb,

3 zeigt ein Diagramm zur Verfahrensverdeutlichung

4 zeigt ein weiteres Diagramm zur Verfahrensverdeutlichung.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Zylinder 1 einer nicht näher dargestellten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine. Der Zylinder 1 weist einen Brennraum 2 auf, in den zwei Einlass-Drallkanäle 3 münden. Ein Einspritzventil 8 ist zur Kraftstoffeinbringung vorgesehen. Ein Einlass-Drallkanal 3 ist als dauernd geöffneter Füllkanal 4 ausgebildet. Dem zweiten Einlass-Drallkanal 3, der als Lastkanal 5 fungiert, ist eine Steuerklappe 6 zugeordnet. Der Steuerklappe 6 ist eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung zugeordnet, die beispielsweise Teil der im Fahrzeug vorhandenen Motorsteuerelektronik sein kann. Diese Steuer- und/oder Regeleinrichtung bewirkt die lastabhängige Verstellung der Steuerklappe 6.

Bei geschlossener Steuerklappe 6 strömt das einzubringende Medium lediglich durch den Füllkanal 4 in den Brennraum 2 ein. Der Füllkanal 4 ist so ausgestaltet, dass das einzubringende Medium einen nach Drallpuls und Drallrichtung (nämlich im Uhrzeigersinn) vorgegebenen Drall D erhält. Drallimpuls und Drallrichtung sind so vorgesehen, dass bei ausschließlicher Öffnung des Füllkanals 4 der im Brennraum 2 bewirkte Drall D maximal ist; er ist hierbei auf den für den Betrieb der Brennkraftmaschine im Niedrigbeziehungsweise Teillastbereich optimierten Wert eingestellt.

2 zeigt dieselbe schematische Darstellung eines Zylinders 1, wobei die Steuerklappe 6 geöffnet ist. Das einzubringende Medium 7 strömt außer durch den Füllkanal 4 nun auch durch den Lastkanal 5 in den Brennraum 2 ein. Zusätzlich zu dem Drall D, der durch den Füllkanal 4 dem Brennraum 2 bewirkt ist, wird dem durch den Lastkanal 5 einströmenden einzubringenden Medium 7 ein Drall D' verliehen. Der Drall D' ist nach seiner Richtung dem Drall D entgegengesetzt (im Gegenuhrzeigersinn), nach seinem Drallimpuls aber im Wesentlichen gleich. Daraus resultiert innerhalb des Brennraums 2 eine praktisch vollständige Aufhebung der beiden entgegengesetzt wirkenden Drallströmungen D und D'. In diesem Zustand ist nur ein sehr geringer Drall DR (Gesamtdrall) innerhalb des Brennraums 2 bewirkt, der für den Betrieb der Brennkraftmaschine unter Volllast optimiert ist.

3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens. Der resultierende Gesamtdrall DR ist als eine Funktion der Öffnung O der Steuerklappe 6 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Öffnung O der Steuerklappe 6, auf der Ordinate der resultierende Gesamtdrall DR der beiden Drallströmungen D und D' abgetragen. Aus der Graphik ist leicht zu erkennen, dass bei vollständig geschlossener Steuerklappe 6 (O=0) der resultierende Gesamtdrall DR maximal ist. Unter Maximalwert wird hier der konstruktiv vorgegebene Wert verstanden, der für die gegebene Brennkraftmaschine den optimalen Höchstdrall darstellt, der zum Betrieb im Niedrig- beziehungsweise Teillastbetrieb optimal ist.

Selbstverständlich brauchen die Kurvenverläufe von O und einem hieraus resultierenden Gesamtdrall DR nicht linear zu sein, sondern können, wie in 4 beispielhaft dargestellt, in Kurven verlaufen, die beispielsweise einer Kennfeldlinie einer gegebenen Brennkraftmaschine angepasst sind. Die Steuerklappenöffnung O und der resultierende Gesamtdrall DR müssen sich hierbei auch nicht linear entsprechen, sondern können, beispielsweise kennfeldgesteuert, durchaus nichtlinear zusammenhängen. Wichtig für die Funktion der Erfindung ist, dass der resultierende Gesamtdrall DR bei maximaler Steuerklappenöffnung O minimal, bei geschlossener Steuerklappe (O=0) dagegen maximal ist. Der dazwischenliegende Kurvenverlauf ist vorzugsweise mittels eines Kennfeldes an die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine so angepasst, dass sich für jeden Zwischenwert O und DR eine optimale Verbrennung ergibt.

1Zylinder 2Brennraum 3Einlass-Drallkanal 4Füllkanal 5Lastkanal 6Steuerklappe 7Einzubringendes Medium 8Einspritzventil OÖffnung der Steuerklappe DDrallströmung D'entgegengesetzte Drallströmung DRresultierender Gesamtdrall

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer direkteinspritzenden Selbstzündungsbrennkraftmaschine, mit mindestens zwei jeweils dem einzubringenden Medium drallgebenden Drall-Einlasskanälen pro Zylinder, von denen mindestens einer in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine teilweise oder ganz geöffnet oder geschlossen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtungen der Drallströmungen (D, D') der einzubringenden Medien (7) der beiden Einlasskanäle (3) einander entgegengesetzt ausgebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das als Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein Lastzustand gewählt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer von zwei Einlass-Drallkanälen (3) mit zunehmender Motorlast der Brennkraftmaschine weiter geöffnet und mit abnehmender Motorlast der Brennkraftmaschine weiter geschlossen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer von zwei Einlass-Drallkanälen (3) in Abhängigkeit von der Motorlast der Brennkraftmaschine so geöffnet wird, dass er bei Volllast der Brennkraftmaschine ganz geöffnet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallsteuerung so erfolgt, dass sich die entgegengesetzten Drallströmungen (D, D') bei Volllast aufheben.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallsteuerung so erfolgt, dass die Durchsatzvolumina beider Einlass-Drallkanäle bei Vollöffnung des verschließbaren Einlass-Drallkanals (3, 5) im Wesentlichen gleich eingeregelt werden.
  7. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine, insbesondere Selbstentzündungsbrennkraftmaschine, mit mindestens zwei jeweils dem einzubringenden Medium drallgebenden Drall-Einlasskanäien pro Zylinder, von denen mindestens einem eine Schließvorrichtung zum in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erfolgenden teilweisen oder vollständigen Öffnen oder Schließen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drall-Einlasskanäle (3) eine Formgebung und/oder in ihnen befindliche Strömungsleitmittel aufweisen, die entgegengesetzte Drallrichtungen (D, D') des einzubringenden Mediums (7) bewirken.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drallgebenden Mittel beider Einlasskanäle (3) so ausgebildet sind, dass sie dem einzubringenden Medium (7) den im Wesentlichen gleichen Drallimpuls verleihen.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass-Drallkanäle (3) bei Vollöffnung des verschließbaren Einlass-Drallkanals (3, 5) den im wesentlichen gleichen freien Querschnitt aufweisen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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