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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassentil zur Steuerung eines drallerzeugenden Einlasskanals und zumindest einem Auslassventil zur Steuerung eines Auslasskanals pro Zylinder, wobei durch Ver- ändern der Steuerzeiten des Einlassventils und/oder des Auslassventils Abgas aus dem Auslasskanal in den Zylinder rückgeführt werden kann.
Aus der AT 003 134 U1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Viertaktbrennkraftmaschine mit einem Einlassventil und einem Auslassventil pro Zylinder bekannt, welche über eine gemeinsame Nockenwelle betätigt werden. Im Teillastbereich wird durch eine Phasenverstellung der Nockenwelle der Aus- lass- und Einlassschluss in Richtung spät verschoben. Dadurch kommt es zu einer Entdrosselung sowie zu einer inneren Abgasrückführung. Dies ermöglicht einerseits eine Verringerung der Emissionen und andererseits eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.
Weiters ist es bekannt, im Teillastbereich einen Drall der Einlassströmung im Brennraum zu generieren, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Bei Vollast hingegen ist zur Erzielung der maximalen Leistung ein möglichst hoher Fütiungs- grad ohne Drall gewünscht. Diese Flexibilität - drallbehaftete Einlassströmung bei Teillast, dralilose Einlassströmung mit hohem Durchfluss bei Volllast - kann bei Brennkraftmaschinen mit zwei Einlasskanälen pro Zylinder durch Kanalabschaltung während des Teillastbetriebes erzielt werden.
Bei Brennkraftmaschinen mit nur einem Einlassventil und einem Auslassventil pro Zylinder ergibt sich die Problematik, dass bei der Auslegung des Einlasskanals ein Kompromiss zwischen Drallerzeugung bei Teillast und maximalen Durchfluss bei Vollast gefunden werden muss, wobei der Zielkonflikt besteht, dass der Durch- fluss durch den Einlasskanal mit der Stärke des erzeugten Dralles abnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einerseits bei Teillast niedrigen Kraftstoffverbrauch und Emissionen und andererseits bei Volllast hohe Leistung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass der Auslasskanal für das in den Brennraum rückströmende Abgas als drallerzeugender Kanal, vorzugsweise als Tangentialkanal, ausgebildet ist. Gemäss der Erfindung wird somit der Auslasskanal in die Drallgenerierung der Strömung im Zylinder eingebunden. Der Drall innerhalb des Zylinderraumes wird somit sowohl mit dem Auslasskanal, als auch mit dem Einlasskanal generiert. Dadurch ist es möglich, die Drallkomponente des
Einlasskanals zu verringern, um auf diese Weise den Durchfluss durch den Ein-
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lasskanal bei Vollast zu erhöhen. Wesentlich ist, dass der Drall zufolge des rückströmenden Abgases aus dem Auslasskanal und der Drall zufolge der Frischgasströmung aus dem Einlasskanal die gleiche Orientierung aufweisen, so dass eine gegenseitige Verstärkung auftritt.
Um einen hohen Drall im Brennraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsmittellinie des Einlasskanals im Bereich der Einlassöffnung mit einer Zylindermittelpunkt und Ventilmittelpunkt verbindenden Geraden einen Winkel zwischen etwa 800 und 1200 aufspannt. Zusätzlich ist es besonders günstig, wenn die Strömungsmittellinie des Auslasskanals im Bereich der Auslassöffnung mit einer Zylindermittelpunkt und Ventilmittelpunkt verbindenden Geraden einen Winkel zwischen etwa 800 und 1200 aufspannt.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Achse des Auslasskanals mit einer Zylinderachsparallelen einen Winkel > 00, vorzugsweise > 300, besonders vorzugsweise > 600 einschliesst. Auch der Einlasskanal kann in dieser Weise geformt sein.
Um Strömungsverluste zufolge von Turbulenzerscheinungen zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Auslasskanal im Bereich des Ventilsitzes im Bereich der der Zylinderkopfebene nächstliegenden Kanalunterseite eine Abrisskante aufweist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die der Zylinderkopfebene entferntere Kanaloberseite des Auslasskanals im Bereich des Ventilsitzes mit der Zylinderachsparallelen einen Winkel > 30 , vorzugsweise > 600, einschliesst. Die Kanaloberseite des Auslasskanals ist somit möglichst flach ausgeführt, das heisst, dass der Winkel zwischen der Kanaloberseite und der Ventilachse wesentlich grösser als 00 ist. Dies bewirkt ein flaches Einströmen des rückgeführten Abgases in den Zylinder, was zusammen mit der seitlichen Position des Auslassventils im Brennraum einen relativ starken Drall verursacht.
Um die Draltwirkung zu verstärken, kann der Auslasskanal zusätzlich im oder gegen den Sinn der Drallrichtung gekrümmt sein.
Gemäss der Erfindung ist somit vorgesehen, dass bei Teillast durch Veränderung der Einlasssteuerzeit und/oder der Auslasssteuerzeit eine interne Rückführung von Abgas aus dem Auslasskanal in den Zylinder durchgeführt wird, wobei wäh- rend der Abgasrückführung eine asymmetrische Abgasrückführströmung gene- riert wird. Eine besonders einfach Ausführungsvariante der Erfindung sieht dabei vor, dass bei Teillast durch eine Phasenverstellung der Nockenwelle sowohl die
Einlasssteuerzeit, als auch die Auslasssteuerzeit um einen Kurbelwinkel von etwa
300 bis 1000, vorzugsweise etwa 400 bis 800, nach spät verschoben wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in einem Schnitt durch einen Zylinder gemäss der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 die Kanalanordnung dieser Brennkraftmaschine in einer Draufsicht auf den Zylinder und Fig. 3 ein Ven- tilhub-Kurbelwinkel-Diagramm.
Die Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopf 1 mit einem Einlassventil 2 und einem Auslassventil 3 pro Zylinder 4 auf, welche zur Steuerung einer Einlassöffnung 5 beziehungsweise einer Auslassöffnung 6 dienen. Über die Einlassöffnung 5 mündet ein Einlasskanal 7 in den Brennraum 8, von welchem über die Auslassöffnung 6 ein Auslasskanal 9 ausgeht.
Der Einlasskanal 7 ist drallerzeugend, vorteilhafterweise als Tangentialkanal, ausgebildet und erzeugt im Brennraum 8 während des Ansaughubes einen Drall 01 um die Zylinderachse 10.
Im Teillastbereich wird während der Einlassphase eine interne Abgasrückführung durchgeführt, indem beispielsweise das Auslassventil 3 verspätet geschlossen wird. Dadurch gelangt während des Ansaughubes ein Teil des Abgases aus dem Auslasskanal 9 zurück in den Brennraum 8.
Der Auslasskanal 9 ist für das rückströmende Abgas ebenfalls drallerzeugend, vorteilhafterweise auch als Tangentialkanal ausgebildet, so dass das rückgeführte Abgas einen weiteren Drall D2 im Brennraum 8 generiert. Wesentlich ist, dass sich die Frischgasströmung Si durch den Einlasskanal 7 und die Abgasrückführströmung S2 aus dem Auslasskanal 9 nicht gegenseitig behindern. Um dies zu gewährleisten, ist der Auslasskanal 9 so geformt, dass der durch das rückgeführte Abgas generierte Drall Dz gleich orientiert ist wie der Drall D1 zufolge der Frischgasströmung Si aus dem Einlasskanal 7. Dadurch entsteht eine Verstärkung des Dralles D1 aus dem Einlasskanal 7.
Dies ermöglicht es, den Einlasska- nai 7 weniger drallerzeugend, dafür auf grösseren Durchfluss auszulegen, um die Leistung bei Vollast zu erhöhen, ohne Kraftstoffverbrauch und Emissionen bei Teillast zu verschlechtern.
Als Tangentialkanal ist hier ein Kanal zu verstehen, dessen Strömungsmittellinie 7a, 9a im Bereich der Einlassöffnung 5 beziehungsweise Auslassöffnung 6 mit einer Zylindermittelpunkt lOb und Ventilmittelpunkt 2a, 3a verbindenden Geraden r1, r2 einen Winkel sl, Sz zwischen 800 und 1200 aufspannt, wie in Fig. 2 angedeutet ist.
Um die gewünschte Drallwirkung zu erreichen, weist die Strömungsmittellinie 9a des Auslasskanals 9 bezüglich der Zylinderachse 10 beziehungsweise bezüglich
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einer Zylinderachseparallelen 10a einen Winkel ss > 00, welcher vorteilhafterweise mindestens 300, bevorzugt mindestens 600 beträgt. Auch die Strömungsmittellinie 7a des Einlasskanals 7 ist um einen Winkel cx zur Zylinderachse 10 im gleichen Ausmass geneigt.
Um Turbulenzen bei der Rückströmung des Abgases aus dem Auslasskanal 9 zu vermeiden und Strömungsverluste so gering wie möglich zu halten, weist die der Zylinderkopfebene 11 nächstliegende Kanalunterseite 9b im Bereich des Ventilsitzes 12 des Auslassventils 3 eine scharf ausgebildete Abrisskante 13 auf. Die der Zylinderkopfebene 11 entferntere Kanaloberseite 9c ist möglichst flach ausgebildet, wobei die Kanaloberseite mit einer Zylinderachseparallelen 10a im Bereich der Mündung 6 einen Winkel 8 aufspannt, welcher etwa 300 bis 600 beträgt.
In dem in der Fig. 3 dargestellten Diagramm ist der Ventilhub H über der Kurbelstellung KW in Grad Kurbelwinkel für Einlassventil 2 und Auslassventil 3 jeweils für Vollastbetrieb und Teillastbetrieb aufgetragen. Bezugszeichen ET bezeichnet den Ventilhub H des Einlassventils 2 bei Teillast, Ev den Ventilhub H des Einlassventils 2 bei Vollast. Der Ventilhub H des Auslassventils 3 für Teillast beziehungsweise für Vollast ist mit AT beziehungsweise Av bezeichnet. Deutlich ist zu erkennen, dass bei Teillast die Steuerzeiten des Einlassventils 2 und des Auslassventils 3 nach spät verstellt werden, wobei die Spätverstellung der Einlassnockenwelle etwa 500 beträgt, so dass der Einlassschluss bei 90 bis 140 nach dem unteren Totpunkt UT nach dem Ladungswechsel liegt.
Die Steuerzeitverstellung des Auslassventilhubes erfolgt synchron mit der Verstellung des Einlassentilhubes nach spät. Durch die Verschiebung der Einasssteuerzeit nach spät wird eine Entdrosselung bewirkt, so dass während der Ausschiebphase R die überflüssige Luft im Brennraum wieder in das Saugrohr gegen Umgebungsdruck rückgeblasen wird.
Da auch die Auslasssteuerzeit synchron mit der Einlasssteuerzeit nach spät verstellt wird, so dass der Schliesszeitpunkt des Auslassventils 3 nicht vor dem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 2 liegt, wird erreicht, dass auch das Ansaugen während der Phase AGR gegen Umgebungsdruck (Abgasdruck) erfolgt. Dadurch treten äusserst geringe Ladungswechselverluste auf. Gleichzeitig erfolgt eine innere Abgasrückführung während der Phase AGR in den Zylinder 4. Durch die beschriebene konstruktive Ausführung des Auslasskanals 9 strömt das rückgeführte Abgas mit einem Drall D2 in den Zylinder 4. Während der Phase AN wird Luft beziehungsweise Gemisch aus dem Einlasskanal 7 in den Zylinder 4 angesaugt.
Der drallerzeugend ausgebildete Einlasskanal 7 erzeugt einen weiteren Drall Di im Zylinder 4, welcher sich mit dem Drall D2 überlagert. Dadurch ist möglich, den Einlasskanal 7 für weniaer Drallerzeuauna. aber für grösseren Durchfluss auszule-
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gen, wodurch die Höchstleistung bei Vollast erhöht werden kann, ohne dass bei Teillast ein höherer Kraftstoffverbrauch und höhere Emissionen in Kauf genommen werden müssen.