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Dokumentenidentifikation DE10307456B4 31.10.2007
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 der Patenterteilung 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse F02M 25/07(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02B 31/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02F 3/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

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.

Aus der gattungsbildenden DE 696 17 938 T2 ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung für Kraftfahrzeuge bekannt, die wenigstens einen in einem Zylindergehäuse verschiebbar geführten Kolben, einen Zylinderkopf mit darin befindlichen Brennraum sowie mit in den Brennraum mündenden Einlass- und Auslasskanälen, die mittels Gaswechsel-Ventilen gesteuert sind, bekannt. Es sind je Brennraum zwei Einlasskanäle vorgesehen. Ferner ist eine in den Brennraum einragende Zündquelle und eine Einspritzdüse zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum bekannt. Des weiteren weist die Vorrichtung einen in jeden Einlasskanal mündenden Stichkanal auf, mittels dem zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas zugeführt wird, wobei in jedem der Einlasskanäle eine eine Tumbleströmung erzeugende Konfiguration mit einem sich über eine definierte Länge entlang des Einlasskanals erstreckenden Strömungsleitelement angeordnet ist, so dass zwei an eine zentrale Tumbleströmung der Verbrennungsluft angelagerte seitliche Strömungswalzen gebildet werden. Konkret sind hier die Strömungsleitelemente durch eine schwenkbare Ventilklappe gebildet, an die sich bei einer Ausführungsform eine fest im Inneren des Einlasskanals angeordnete Trennwand als Strömungsleitblech anschließt. Eine derartige Kombination der Ventilklappe mit einem sich daran anschließenden ortsfesten Strömungsleitelement ermöglicht es, die einzelnen Ströme bis nahezu unmittelbar vor ihren Eintritt in den Brennraum getrennt zu führen, so dass es zu einer definierten Ausbildung einer zentralen Verbrennungsluft-Tumbleströmung mit seitlichen Strömungswalzen des Inertgases bzw. Abgases kommt.

Weiter ist aus der DE 100 18 319 A1 eine fremdgezündete Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der mit Abstand vor dem Beginn einer Verzweigung eines Gaseinlasskanals auf den beiden in etwa parallel zur Zylinderachse ausgerichteten Bereichen der Seitenwandungen des Gaseinlasskanals jeweils eine Einmündung eines Abgasrückführkanals angeordnet ist, die als Zweigkanäle mit einer zentralen Abgasrückführleitung verbunden sind. Die Abgasrückführkanäle münden unter einem flachen Winkel in den Gaseinlasskanal ein, um das Abgas möglichst in Wandnähe zu halten. Der Kolben selbst ist auf seiner Oberseite mit zwei sich in Richtung der Zylinderachse erstreckenden parallelen Leitflächen versehen, die zur Außenseite eine auf dem Kolbenboden erhöht angeordnete Mulde begrenzen. Durch diese beiden Leitflächen kann die durch die seitlichen Einmündungen der Abgasrückführkanäle in den Gaseinlasskanal bewirkte Teilung der Stoffströme in einen im wesentlichen zentralen Frischgasstrom einerseits und zwei seitliche strähnenartige Abgasströme andererseits während der Abwärtsbewegung des Kolbens und während der Aufwärtsbewegung des Kolbens soweit aufrechterhalten werden, dass im unmittelbaren Nahbereich der Zündkerze unverdünntes Frischgas vorhanden ist, wenn der Kolben sich der oberen Totpunktstellung zum Zündzeitpunkt nähert.

Zudem ist aus der DE 198 20 085 A1 eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine bekannt, bei der auf einer Kolbenoberfläche drei sogenannte Brennraummulden ausgebildet sind, wobei sich eine zentrale, mittlere Brennraummulde im wesentlichen in Richtung einer senkrechten Projektion eines aus einem Einspritzventil austretenden Einspritzstrahles erstreckt, die beiden anderen Brennraummulden dagegen seitlich benachbart zu der zentralen Brennraummulde angeordnet sind. Die zentrale Brennraummulde dient hier ausschließlich zur Führung des durch das Einspritzventil eintretenden Kraftstoffs, während die beiden seitlichen Brennraummulden zur Führung der durch die Einlassventile eintretenden Frischluft dient. Konkret strömt hier die durch die Einlassventile eintretende Frischluft tumbleförmig in den Brennraum der Brennkraftmaschine ein, wobei die Strömung an der den Einlassventilen gegenüberliegenden Zylinderwand nach unten in Richtung auf den Kolben zuströmt und durch die beiden seitlichen Brennraummulden in zwei Strömungszweige aufgespalten wird, so dass hier entsprechend einem anderen Tumbleströmungskonzept zwei seitliche Frischluftwalzen ausgebildet werden, zwischen denen entgegen der Strömungsrichtung der Frischluftwalzen Kraftstoff in die zentrale Brennraummulde eingespritzt wird. Es handelt sich somit hierbei um ein gegenüber dem zuvor genannten Tumblekonzept anderes Tumblekonzept, mit dem eine bessere Durchmischung von Kraftstoff und Frischluft erzielt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine so weiter zu bilden, dass damit eine noch vorteilhaftere Tumbleströmung im Brennraum ausgebildet wird.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß Anspruch 1 ist etwa unterhalb der Strömungsleitelemente im Kolben jeweils eine seitliche Mulde ausgebildet, die seitlich zu einer der Zündquelle gegenüberliegenden mittleren Mulde positioniert sind. Dabei ragt die Zündquelle zentrisch von oben in den Brennraum und verengt sich die mittlere Mulde des Kolbens in Rotationsrichtung der Tumbleströmung gesehen, wobei die seitlich einragende Einspritzdüse auf den sich verengenden Muldenbereich ausgerichtet ist.

Mit einer derartigen Vorrichtung lässt sich eine besonders günstige Konfiguration der einzelnen Walzen der Tumbleströmung einstellen, so dass diese insgesamt besser kontrolliert werden können, d.h. die Gefahr, dass sich die einzelnen Tumblewalzen miteinander vermischen, wird erheblich reduziert. Dadurch ist insgesamt eine erhöhte Abgasrückführung möglich ist, was wiederum zur Reduzierung der Schadstoffemissionen führt.

Besonders durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass die mittlere Mulde des Kolbens in Rotationsrichtung der Tumbleströmung gesehen verengt ist und gleichzeitig die seitlich einragende Einspritzdüse auf diesen sich verengenden Muldenbereich ausgerichtet ist, wird erreicht, dass sich in Verbindung mit einer dadurch ausgebildeten 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 Brennstoffanteile über den Verbrennungsverlauf im Brennraum.

Es wird hier somit zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas, bevorzugt aus dem Auslasstrakt der Brennkraftmaschine entnommenes Abgas, so zugeführt, 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 Brennraumwänden 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. Damit bilden sich 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 Tumbleströmung 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. Dies kann mit relativ geringem baulichen Mehraufwand durchgeführt werden, bei Erzielung einer weitgehend einheitlichen Strömungsführung.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, 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 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.

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 Kolbenoberfläche 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 Brennstoff-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]
Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem in einem Zylindergehäuse verschiebbar geführten Kolben, einem Zylinderkopf mit darin befindlichem Brennraum, mit in den Brennraum mündenden Einlass- und Auslasskanälen, die mittels Gaswechsel-Ventilen gesteuert sind, wobei je Brennraum zwei Einlasskanäle vorgesehen sind, und mit einer zentrisch von oben in den Brennraum einragenden Zündquelle und einer Einspritzdüse zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum, sowie mit einem in jeden Einlasskanal mündenden Stichkanal, mittels dem zusätzlich zur Verbrennungsluft inertes Gas zugeführt wird, wobei in jedem der Einlasskanäle eine eine Tumbleströmung erzeugende Konfiguration angeordnet ist, so dass zwei an eine zentrale Tumbleströmung der Verbrennungsluft angelagerte seitliche Strömungswalzen gebildet werden,

dadurch gekennzeichnet,

dass etwa unterhalb der Strömungsleitelemente (40) im Kolben (16) jeweils eine seitliche Mulde (16b, 16c) ausgebildet ist, die seitlich zu einer der Zündquelle (34) gegenüberliegenden mittleren Mulde (16a) positioniert sind,

dass sich die mittlere Mulde (16a) des Kolbens (16) in Rotationsrichtung der Tumbleströmung (44a) der Verbrennungsluft gesehen verengt, und

dass die seitlich einragende Einspritzdüse (36) auf den sich verengenden Muldenbereich ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas Abgas der Brennkraftmaschine (10) ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas mittels des Stichkanals (42) in dem Bereich der Strömungsleitelemente (40) zugeführt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichkanäle (42) und die entsprechenden Strömungsleitelemente (40) im Längsschnitt betrachtet an den Umfangswänden der am weitesten voneinander entfernt liegenden Wandbereiche der Einlasskanäle (22, 24) positioniert sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tumbleströmung (44) durch in den Einlasskanälen (22, 24) vorgesehene Strömungsleitklappen (38) und/oder Strömungsleitbleche (40) bewirkt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (40) über eine definierte Länge entlang des jeweiligen Einlasskanals (22, 24) erstreckt und dicht vor der Mündung des Einlasskanals (22, 24) in den Brennraum (20, 32) endet.






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