DE19735863A1

DE19735863A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19735863A1
Application number: DE19735863A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schladt; Dietmar Wermuth
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 1999-02-25

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit drei neben einander angeordneten Einlaßventilen, wenigstens einem Auslaßventil, ei nem Einspritzventil und einem Kolben pro Zylinder.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Druckschrift 4,617,896 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine sind innerhalb des Saugrohres mehrere Einlaßkanäle vorgesehen, welche den Einlaßventilen zugeordnet werden können, und innerhalb der Einlaßkanäle sind zum Teil Drosselklappen vorgesehen. Der sich an das Saugrohr anschließende Zylin derkopf der Brennkraftmaschine weist dagegen einen den drei Einlaßventi len gemeinsamen Einlaßkanal auf, in den ein Einspritzventil mündet. Bei diesem Stand der Technik kann aufgrund der Gestaltung der Einlaßkanäle eine gute Gemischverwirbelung im gemeinsamen Einlaßkanal vor den Ein laßventilen stattfinden. Problematisch ist jedoch, daß dieses Gemisch nicht ohne erhebliche Strömungsverluste in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingebracht werden kann. Zudem ist diese Ausführungsform für Brennkraft maschinen mit Benzindirekteinspritzung kaum geeignet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine zu konzipieren, welche eine verbesserte Gemischaufbereitung und somit einen sparsameren Betrieb der Brennkraft maschine ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Brennkraftmaschine die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.

So verlaufen die den Einlaßventilen zugeordneten Einlaßkanäle getrennt voneinander. Dadurch ist verwirklicht, daß die Verwirbelung der Frischluft im wesentlichen innerhalb des Zylinders stattfindet, indem das eine seitliche Einlaßventil separat von dem mittigen Einlaßventil und dem anderen seitli chen Einlaßventil Frischluft in den Zylinder einläßt. Mit der Anordnung des Einspritzventils zwischen dem einen seitlichen Einlaßventil und dem mittigen Einlaßventil und dem an diese beiden Einlaßventile angrenzendem Abschnitt der Zylinderwand kann die Brennkraftmaschine als Benzindirekteinspritzer arbeiten, wodurch das Gemisch erst im Zylinder aufbereitet wird. Schließlich ist für eine verbesserte Gemischaufbereitung auch erforderlich, daß der im Zylinder hin- und hergehende Kolben eine Brennraummulde aufweist, deren Zentrum zur Achse des Zylinders versetzt angeordnet ist. Damit wird nämlich erreicht, daß die mehr oder weniger stark drallförmig in den Zylinder ein strömende Frischluft in der Brennraummulde gesammelt, im Bereich der zentral im Zylinder angeordneten Zündkerze verdichtet und schließlich ge zündet wird.

Dabei ist es besonders günstig, wenn auch das mittige Einlaßventil und das andere seitliche Einlaßventil separat voneinander Frischluft in den Zylinder einlassen. Denn auf diese Weise können die drei Einlaßventile bei steigen der Last nacheinander geöffnet werden, so daß zuerst, das heißt bei gerin ger Last allein das eine seitliche Einlaßventil, dann bei mittlerer Last das mit tige Einlaßventil und bei voller Last schließlich auch das andere seitliche Einlaßventil geöffnet 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 einer starken Drallströmung innerhalb des Brennraums aus der durch das eine seitliche Einlaßventil und das mittige Einlaßventil separat von dem anderen seitlichen Einlaßventil eintretenden Frischluft.

Das Einspritzventil kann in einem Winkel von ca. 60 bis 75 Grad zur Achse des Zylinders geneigt angeordnet sein. Dadurch kann das zwischen dem ei nen seitlichen und dem mittigen Einlaßventil sowie dem an diese beiden Einlaßventile angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeordnete Ein spritzventil den zur Verfügung stehenden Bauraum in besonders platzspa render Weise nutzen. Bevorzugt weist das Einspritzventil einen Bendwinkel auf, der den Einspritzstrahl ablenkt. Mit Hilfe dieses Bendwinkels kann die Richtung des Einspritzstrahls so gewählt werden, daß eine optimale Ge mischaufbereitung möglich ist.

Zweckmäßig spritzt das Einspritzventil für den homogenen Magerbetrieb während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 360 bis 280 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder ein. Während des Ansaugtaktes ist die Einspritzströmung schräg zur Frischluftströmung gerichtet. Dadurch erhöht sich die Relativgeschwindigkeit zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der angesaugten Frischluft, was eine gute Verdampfung und eine homogene Durchmischung bewirkt. Außer dem wird dabei eine Benetzung der Zylinderwand durch den eingespritzten Kraftstoff vermieden.

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. Somit wird ein großer Teil des Kraftstoffs in Kolbennähe und schräg zur Frischluftströmung eingespritzt. Auf diese Weise kann die sich ausbil dende Gemischwolke in der Brennraummulde zusammengeführt und zur Zündkerze bewegt werden.

Bevorzugt ist die Brennraummulde des Kolbens in einer Projektion entlang der Achse des Zylinders etwa eiförmig ausgebildet. Dadurch kann die durch die Einlaßventile eintretende Frischluft, die drall- bzw. schraubenförmig an der Zylinderwand nach unten entlangströmt, einfach in der Brennraummulde zusammengeführt werden, wobei die Drallströmung durch die Lage der Brennraummulde beeinflußt wird. Das Zentrum der eiförmigen Brennraum mulde ist zur Achse des Zylinders und damit auch zur Zündkerze versetzt angeordnet, was zu einer optimalen Verbrennung des zündfähigen Ge mischs führt.

Besonders bevorzugt läuft die Brennraummulde in Richtung zu dem Ein spritzventil in eine zungenförmige Einspritzgasse aus. Dadurch ist gewähr leistet, daß sich der aus dem Einspritzventil austretende Einspritzstrahl un gehindert bis zur Brennraummulde fortpflanzen kann.

Die Brennraummulde kann zur Achse des Zylinders geneigte Begrenzungs wände aufweisen, damit die Drallströmung auf besonders günstige Weise in der Brennraummulde zusammengeführt werden kann.

Schließlich sollte der Kolben aufgrund der zueinander geneigt angeordneten Einlaß- und Auslaßventile dachförmig ausgebildet sein, wobei der Dachfirst im wesentlichen entlang der Mittellinie des Kolbens verlaufen sollte. Durch diese Ausgestaltung des Kolbens ist eine Brennraumform geschaffen, die ausreichend Möglichkeiten für Quetschflächen bietet und ein hohes Verdich tungsverhältnis 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 entlang der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht des Kolbens entlang der Linie IV-IV aus Fig. 2; und

Fig. 5 eine geschnittene Ansicht des Kolbens entlang der Linie V-V aus Fig. 2.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist pro Zylinder drei neben einander angeordnete Einlaßventile 1, 1', 1'' auf, die sich auf einer Halbseite des nicht dargestellten Zylinders befinden und zwei nebeneinander ange ordnete Auslaßventile 2, die sich auf der anderen Halbseite des Zylinders befinden. Zudem weist die Brennkraftmaschine eine Zündkerze 3 auf, die konzentrisch zu der Achse des Zylinders angeordnet ist. Pro Zylinder ist au ßerdem ein Einspritzventil 4 vorgesehen, welches zwischen dem einen seitli chen Einlaßventil 1 und dem mittigen Einlaßventil 1' und dem an diese bei den Einlaßventile 1, 1' angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeord net ist. Schließlich zeigt Fig. 1 einen zugehörigen Kolben 5 mit einer Brenn raummulde 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 der getrennten Einlaß kanäle sind drei von den Einlaßventilen beherrschte Einlaßöffnungen vorge sehen. Alternativ können die drei Einlaßventile aber auch separat angesteu ert werden, indem einzelne der Einlaßventile wahlweise zu- oder abgeschal tet werden. Auf diese Weise können die drei Einlaßventile unabhängig von einander betätigt werden, so daß die Frischluft nur durch die Einlaßöffnun gen der jeweils zugeschalteten Einlaßventile in den Zylinder gelangen kann.

Folglich können das eine seitliche Einlaßventil 1, das mittige Einlaßventil 1' und das andere seitliche Einlaßventil 1'' jeweils separat voneinander Frisch luft in den Zylinder einlassen. Strömt die Frischluft durch die Einlaßöffnung für das eine seitliche Einlaßventil 1 ein und ist der Einlaßkanal für das mittige Einlaßventil 1' und das andere seitliche Einlaßventil 1'' mehr oder weniger stark gedrosselt, so bildet sich aufgrund der Frischluft, die durch das eine seitliche Einlaßventil 1 in den Zylinder einströmt, innerhalb des Brennraums eine variable Drallströmung aus. Zum besseren Verständnis ist diese Drall strömung in Fig. 1 pfeilartig dargestellt. Die Ausbildung der Drallströmung wird dabei begünstigt, wenn die beiden seitlichen Einlaßventile 1, 1'' einen maximalen Abstand zueinander aufweisen und in Schließstellung einen mi nimalen 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 bzw. zu der Achse des Zylinders 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 um bis zu 20 Grad in Richtung zur Brennraummulde 6 ablenkt.

Um einen homogenen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine zu realisieren, wird durch das Einspritzventil 4 während des Ansaugtaktes bei einem Kur belwellenwinkel von ca. 360 bis 280 Grad, bevor der Kolben 5 den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in die im Zylinder vorherrschende Strömung ein gespritzt. Dadurch verbleibt genügend Zeit für eine ausreichende Kraftstoff einspritzung in die Frischluft sowie für eine homogene Durchmischung von Kraftstoff und Frischluft.

Um dagegen einen geschichteten Magerbetrieb der Brennkraftmaschine zu realisieren, wird durch das Einspritzventil 4 während des Kompressionstak tes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 85 bis 30 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in die im Zylinder vorherrschende Drallströmung eingespritzt. Somit wird innerhalb des Brennraums eine ge schichtete Gemischwolke mit einem zündfähigen Anteil erzeugt. Diese Ge mischwolke wird in der Brennraummulde 6 des Kolbens 5 zusammengeführt und durch die weitere Verdichtungsbewegung des Kolbens 5 in den Bereich unterhalb der Zündkerze 3 befördert, so daß der zündfähige Anteil der Ge mischwolke von einem Zündfunken der Zündkerze 3 erreichbar ist.

Das Zentrum der Brennraummulde 6 des Kolbens 5 ist zur Achse des Zylin ders versetzt angeordnet. Dabei ist die Brennraummulde 6 in der Projektion entlang der Achse dem Zylinders etwa eiförmig ausgebildet und läuft in Richtung des Einspritzventils 4 nahezu übergangslos in eine zungenförmige Einspritzgasse 7 aus. Dabei bilden die kurze Achse der eiförmigen Brenn raummulde 6, die auf der Linie S liegt, und die Mittellinie M des Kolbens 5 einen stumpfen Winkel. Derselbe stumpfe Winkel wird von der Symmetrie achse der zungenförmigen Einspritzgasse 7, die ebenfalls auf der Linie S liegt und der Mittellinie M des Kolbens 5 gebildet. Die Linie S entspricht hierbei der Projektion der Achse des Einspritzventils 4 entlang der Achse des Zylinders.

Darüber hinaus weist die Brennraummulde 6 zur Achse des Zylinders ge neigte Begrenzungswände 8 auf, welche die Zusammenführung der Drall strömung erleichtern.

Zudem ist der Kolben 5 dachförmig ausgebildet, wobei der Dachfirst 9 im wesentlichen entlang der Mittellinie M des Kolbens 5 verläuft. Dort, wo sich die Brennraummulde 6 über die Mittellinie M des Kolbens 5 hinaus erstreckt, weicht der Dachfirst 9 von der Mittellinie M des Kolbens 5 ab.

Schließlich weist der Kolben 5 noch einige Quetschflächen 10 auf, die au ßerhalb der Brennraummulde 6 und der Einspritzgasse 7 angeordnet sind.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit drei nebeneinander angeordneten Einlaßventi len, wenigstens einem Auslaßventil, einem Einspritzventil und einem Kolben pro Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß

- die den Einlaßventilen (1, 1', 1'') zugeordneten Einlaßkanäle ge trennt voneinander verlaufen, so daß das eine seitliche Einlaßventil (1) separat von dem mittigen Einlaßventil (1') und dem anderen seit lichen Einlaßventil (1'') Frischluft in den Zylinder einläßt,
- das Einspritzventil (4) zwischen dem einen seitlichen Einlaßventil (1) und dem mittigen Einlaßventil (1') und dem an diese Einlaßventile (1, 1') angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeordnet ist, und
- der Kolben (5) eine Brennraummulde (6) aufweist, deren Zentrum zur Achse des Zylinders versetzt angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittige Einlaßventil (1') und das andere Einlaßventil (1'') separat voneinander Frischluft in den Zylinder einlassen.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden seitlichen Einlaßventile (1, 1'') einen ma ximalen Abstand zueinander aufweisen.

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

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) in einem Winkel (α) von ca. 60 bis 75 Grad zur Achse des Zylinders geneigt angeordnet ist.

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

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 360 bis 280 Grad, bevor der Kol ben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder ein spritzt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Kompressi onstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 85 bis 30 Grad, bevor der Kolben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder einspritzt.

9. 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 eiförmig ausgebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) in Richtung zu dem Ein spritzventil (4) in eine zungenförmige Einspritzgasse (7) ausläuft.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kurze Achse der eiförmigen Brennraummulde (6) und die Symme trieachse der zungenförmigen Einspritzgasse (7) in einer Projektion entlang der Achse des Zylinders auf einer gemeinsamen Linie (S) lie gen.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion der Achse des Einspritzventils (4) entlang der Achse des Zylinders mit der Linie (S) zusammenfällt.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennraummulde (6) des Kolbens (5) zur Achse des Zylinders geneigte Begrenzungswände (8) aufweist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kolben (5) dachförmig ausgebildet ist und der Dachfirst (9) im wesentlichen entlang der Mittellinie (M) des Kolbens (5) verläuft.