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DE69501852T2 - Brennkraftmaschine mit mehreren Einlassventilen pro Zylinder - Google Patents

Brennkraftmaschine mit mehreren Einlassventilen pro Zylinder

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Publication number
DE69501852T2
DE69501852T2 DE69501852T DE69501852T DE69501852T2 DE 69501852 T2 DE69501852 T2 DE 69501852T2 DE 69501852 T DE69501852 T DE 69501852T DE 69501852 T DE69501852 T DE 69501852T DE 69501852 T2 DE69501852 T2 DE 69501852T2
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DE
Germany
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valve
combustion chamber
cylinder
cavity
engine according
Prior art date
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DE69501852T
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Yvan Bianco
Roland Sauzet
Frederic Taffin
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Automobiles Citroen SA
Renault SAS
Original Assignee
Automobiles Peugeot SA
Automobiles Citroen SA
Renault SAS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrzylinder- Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung von Kraftstoff, insbesondere Benzin, der zum Beispiel zur Ausrüstung eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere einen Motor, der für jeden seiner Zylinder einen Zylinderkopf aufweist, der auf dem oberen Teil des Zylinders einen Deckel bildet, welcher einen Hohlraum aufweist, der den Verbrennungsraum des Zylinders abgrenzt und der direkt mit dem oberen Teil des Zylinders in Verbindung steht.
  • Die Benzineinspritzmotoren, die ebenfalls unter der Bezeichnung "Fremdzündungsmotoren" bekannt sind, können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden, die Motoren mit indirekter Einspritzung, die auch als Motoren mit homogener Ladung bezeichnet werden, und die Motoren mit Direkteinspritzung.
  • Bei den Motoren mit indirekter Einspritzung mit homogener Ladung wird das Benzin mittels einer Einspritzdüse, die sich stromaufwärts des oder der Einlaßventile befindet, mit der Verbrennungsluft gemischt.
  • Das Motordrehmoment wird durch Betätigung einer Drosseiklappe geregelt, die ein Ventil bildet, das einen Teil des Ansaugkrümmers absperrt, wodurch die Menge des durch die Einlaßventile in die Zylinder eingeleiteten Gemisches verringert wird. Das zugeführte Gasgemisch ist dann im Innern jedes Zylinders zum Zeitpunkt der Zündung homogen.
  • Der Wirkungsgrad dieser Art von Motor wird durch Pumpverluste beim Ansaugen stark verschlechtert, vor allem, wenn der Motor bei geringer Belastung verwendet wird. Die Folge hiervon sind ein beträchtlicher Benzinverbrauch, wenn der Motor wenig belastet wird, und besonders hohe Kohlendioxidemissionen.
  • Überdies hat sich der Betrieb mit einem bezinarmen Gemisch bei Teilbelastung wegen der schlechten Vereinbarkeit des Verbrennungsprinzips mit homogener Ladung und der Verwendung eines beträchtlichen Luftüberschusses in dem Gasgemisch als instabil erwiesen. Die Verringerung der Emissionen von Schadstoffgasen, insbesondere unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxid, wird somit äußerst schwierig bei dieser Art von Motor.
  • Bei den Schichtladungsmotoren mit Direkteinspritzung wird das Motordrehmoment durch die Benzinmenge geregelt, die direkt in jeden Zylinder des Motors eingelassen wird. Die Drosselklappe kann dann aus dem Luf tansaugkanal weggelassen werden, um die Verluste beim Pumpen der Luft zu verringern.
  • Das Prinzip der Direkteinspritzung ermöglicht die Schaffung einer benzinreichen Zone um die Zündkerze, um einen Verbrennungsbeginn auszulösen, der sich dann in einem sehr mageren Gemisch ausbreitet, und um auf diese Weise die Stickoxidemissionen zu minimieren.
  • Zur Erreichung einer guten Verbrennung bei dieser Art von Motor ist die Kontrolle der Luftverschiebungen in dem Verbrennungsraum und ihre gute Anpassung an die Ausrichtung und Form des Einspritzstrahls erforderlich.
  • Zu diesem Zweck ist in dem Dokument FR-A-2.650.629 bereits ein Prinzip für einen Mehrzylindermotor mit Direkteinspritzung dargelegt worden, der eine Kontrolle der Schichtung des Luft/Benzin-Gemisches und die Bildung einer Turbulenz im Innern des Verbrennungsraumes ermöglicht, welche die Ausbreitung der Verbrennung fördert.
  • Dieser Mehrzylindermotor mit Benzineinspritzung umfaßt für jeden seiner Zylinder.
  • - einen Zylinderkopf, der auf dem oberen Teil des Zylinders einen Deckel bildet und der einen Verbrennungsraum des Zylinders aufweist, der direkt mit dem oberen Ende des Zylinders in Verbindung steht;
  • - ein erstes und ein zweites Einlaßventil für Frischluft, die beide in den Verbrennungsraum münden;
  • - ein Gasauslaßventil, das sich in den Verbrennungsraum öffnet; und
  • - eine Zündkerze, die quer durch die Wand des Verbrennungsraumes montiert und ins Innere des Raumes gerichtet ist;
  • wobei der Boden der Wand des Verbrennungsraumes, der dem oberen Ende des Zylinders gegenüberliegt, eine Höhlung aufweist; und
  • - eine Kraftstoff-Einspritzdüse, die in der Wand dieser Höhlung mündet;
  • wobei der von den Einlaß- und Auslaßventilen, dem Verbrennungsraum und der Zündkerze gebildete Komplex so angeordnet ist, daß, wenn der Kolben des Zylinders eine Translationsbewegung nach oben durchführt, die Luft oder das Luft/Benzin-Gasgemisch zum Verbrennungsraum getrieben wird und hierbei eine Turbulenz geschaffen wird, welche die Verbrennung des Gasgemisches fördert.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Mehrzylindermotor der vorstehend erwähnten Art vorzuschlagen, der es ermöglicht, den strengsten Umweltschutznormen zu entsprechen, und gleichzeitig einen geringen Benzinverbrauch und einen hohen Wirkungsgrad aufweist, wobei der Kompromiß zwischen einem hohen Wirkungsgrad und geringen Schadstoffemissionen insbesondere besser sein soll, als derjenige, den man im Falle eines Motors erhält, der zusätzlich eine Dreiwegkatalyse-Vorrichtung verwendet.
  • Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Motor der vorstehend erwähnten Art vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das erste Einlaßventil und das Auslaßventil außerhalb der Höhlung in den Verbrennungsraum münden, während das zweite Einlaßventil am oberen Boden der Höhlung in den Verbrennungsraum mündet.
  • Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung:
  • - ist die Höhlung in bezug auf die Achse des Zylinders versetzt;
  • - ist die Zündkerze quer durch die Wand der Höhlung montiert;
  • - offnet sich das Auslaßventil außerhalb der Höhlung in den Verbrennungsraum;
  • - sind die Achsen der Ventile in bezug auf die Achse des Zylinders geneigt;
  • - ist die Zündkerze im wesentlichen in einer mittleren Position in der Höhlung angeordnet;
  • - ist der Durchmesser des zweiten Einlaßventils kleiner als der Durchmesser des ersten Einlaßventils;
  • - weist der Motor für ]eden Zylinder eine Kraftstoff- Einspritzdüse auf, die in der Wand der Höhlung mündet;
  • - mündet die Einspritzdüse nahe der Zündkerze in der Wand der Höhlung;
  • - weist der Motor eine Kraftstoff-Einspritzdüse auf, die in einen Ansaugkanal mündet, der mit dem Verbrennungsraum verbunden ist;
  • - umfaßt der Motor für jeden Zylinder einen Hauptansaugkanal, der sich in einen ersten und einen zweiten Nebenansaugkanal teilt, mit denen jeweils das erste und das zweite Einlaßventil verbunden sind, einen Auslaßkanal, der über das Auslaßventil mit dem Verbrennungsraum verbunden ist, und einen Kanal zur Rückführung mindestens eines Teils der Abgase, der parallel angeordnet ist und der stromaufwärts von dem ersten Einlaßventil in den ersten Nebenansaugkanal mündet;
  • - weist der Motor Mittel zur Steuerung der durch den Rückführkanal strömenden Abgasmenge auf;
  • - umfassen die Steuermittel mindestens ein stromabwärtiges Ventil mit gesteuerter Öffnung, das in dem Auslaßkanal stromabwärts von der Verbindung des Rückführkanals mit dem Auslaßkanal angeordnet ist, und eine Schaltung zur Steuerung der Öffnung des stromabwärtigen Ventils; und
  • - umfassen die Steuermittel mindestens ein stromaufwärtiges Ventil mit gesteuerter Öffnung, das in dem ersten Nebenansaugkanal stromaufwärts von der Verbindung des Rückführkanals mit dem ersten Nebenansaugkanal angeordnet ist, und eine Schaltung zur Steuerung der Öffnung des stromaufwärtigen Ventils.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden genauen Beschreibung ersichtlich werden, für deren Verständlichkeit auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
  • - Figur 1 eine teilweise Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Zylinders in einer durch die Zylinderachse verlaufenden Ebene ist;
  • - Figur 2 eine theoretische schematische Ansicht ist, die eine Darstellung des Profils der Wand des in dem Zylinderkopf ausgebildeten Verbrennungsraumes gestattet, wobei diese Ansicht der äußeren Hüllfläche einer Abformung der Innenwand des Verbrennungsraumes entspricht, und
  • - Figur 3 eine schematische Ansicht ist, die eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante für einen der Zylinder eines Verbrennungsmotors gestattet.
  • In Figur 1 ist ein Verbrennungsraum 10 eine Mehrzylinder-Verbrennungsmotors dargestellt, der in der Unterseite 40 eines Zylinderkopfes 42 ausgebildet ist, der auf der Oberseite 44 eines Zylinderblockes 46 des Motors befestigt ist.
  • Der Verbrennungsraum 10 ist an seinem unteren Teil offen und er mündet direkt in den oberen Teil 48 eines entsprechenden Zylinders 50, in dem ein Kolben 52 montiert ist.
  • Erfindungsgemäß weist der Boden der Wand des Verbrennungsraumes 10, das heißt der obere Teil dieser Wand, der dem oberen Ende 48 des Zylinders gegenüberliegt, eine Höhlung 11 auf, die vertieft angelegt und in bezug auf die Achse X-X des Zylinders 50 versetzt ist.
  • Die Höhlung 11 kann verschiedene Formen annehmen und kann zum Beispiel kreisrund, oval, elliptisch etc... sein.
  • Der Verbrennungsraum ist außerdem mit einer Einspritzdüse und einer Zündkerze 28 ausgestattet, deren jeweilige Achsen A30 und A28 in Figur 2 dargestellt sind und die in die Höhlung 11 münden. Die Einspritzdüse ist vorzugsweise geneigt montiert, so daß der Benzinstrahl zur Mitte des Verbrennungsraumes gelenkt wird, um eine Verschmutzung der Wand des Verbrennungsraumes zu vermeiden.
  • Das Ansaugen der sauerstoffhaltigen Gase und der Auslaß der Abgase aus dem Verbrennungsraum erfolgen jeweils durch ein erstes Einlaßventil 20, ein zweites Einlaßventil 22 und durch ein Auslaßventil, daß in der Schnittebene von Figur 1 nicht erscheint, dessen Achse A26 jedoch in Figur 2 dargestellt ist.
  • Das erste Einlaßventil 20 und das Auslaßventil 26 münden außerhalb der Höhlung 11 in den Verbrennungsraum 10, während das zweite Einlaßventil 22 am oberen Boden der Höhlung 11 in den Verbrennungsraum mündet.
  • Wie man in Figur 1 und 2 erkennen kann, sind die Sitze der beiden Einlaßventile 20 und 22 vertikal gegeneinander versetzt.
  • Der Durchmesser des ersten Einlaßventils 20 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser des zweiten Einlaßventils 22, wie dies schematisch in Figur 1 und 2 dargestellt ist, um die Füllung des Zylinders zu fördern.
  • In Figur 2 ist festzustellen, daß die Achsen A20, A22 und A26 des ersten und des zweiten Einlaßventils und des Auslaßventils, mit denen jeder der Verbrennungsräume ausgestattet ist, in bezug auf die Hauptachse X-X des Zylinders 50 geneigt sind, wobei sie sich nach oben hin nach außen öffnen.
  • Es wird nun die Funktionsweise des in Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels des Motors mit Direkteinspritzung beschrieben.
  • In der Ansaugphase führt der Kolben 52 einen Abwärtshub durch, wobei die Einlaßventile 20 und 22 geöffnet werden.
  • Die angesaugte Frischluft, die durch das zweite Einlaßventil 22 in den Verbrennungsraum 10 geleitet wird, durchspült das Volumen der oberen Höhlung 11, in die das zweite Einlaßventil 22 direkt einmündet, wobei sie die Abgasrückstände in den übrigen Teil des Verbrennungsraumes 10 treibt.
  • So bleibt, wenn der Kolben am Ende der Kompressionsphase wieder aufsteigt, in der Höhlung 11 nahe der Zündkerze 28 eine stark mit Sauerstoff angereicherte Gaszone bestehen.
  • In der Oberseite 56 des Kolbens 52 ist eine Aussparung 24 ausgebildet, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, um zu verhindern, daß diese Fläche mit dem ersten Einlaßventil 20 in Kontakt kommt, wenn sich der Kolben 52 in der oberen Totpunktlage befindet. Eine entsprechende Aussparung ist ebenfalls unter dem Auslaßventil vorgesehen.
  • Bei der Einspritzung des Kraftstoffes, die während des Aufwärtshubs des Kolben stattfindet, mischt sich die benzinreiche Zone um die Zündkerze 28 hauptsächlich mit der Luft, unabhängig von der Menge der Abgase, die außerdem in dem übrigen Teil des Verbrennungsraumes enthalten sind, was den Beginn der Verbrennung sicherstellt, die sich anschlie ßend in einem mageren Gemisch ausbreitet, in dem der Abgasanteil eine geringere Bedeutung besitzt.
  • Die erfindungsgemäße Bauweise des Motors gestattet somit eine doppelte Schichtung, das heißt eine Schichtung des Benzins und eine Schichtung der Abgase, die für den Betrieb des Motors und vor allem für die Reduktion der Stickoxide besonders optimal ist.
  • Die Schichtung der Abgase ermöglicht überdies eine weitgehende Rückführung der Abgase und folglich eine zusätzliche Reduktion der Schadstoffemissionen.
  • Eine solche Anwendung wird durch das Schema von Figur 3 dargestellt.
  • In dieser Figur ist zu erkennen, daß der Verbrennungsraum 10 durch einen stromaufwärtigen Hauptansaugkanal 12 mit Ansaugluft gespeist wird, in dem eine Drosselklappe 14 eingefügt sein kann, die ein Ventil zur Steuerung der angesaugten Frischgasmenge bildet.
  • Der Hauptansaugkanal 12 teilt sich in einen ersten Nebenansaugkanal 16 und einen zweiten Nebenansaugkanal 18.
  • Der erste Nebenansaugkanal 16 mündet in den Verbrennungsraum 10 mit Zwischenschaltung des ersten Einlaßventils 20, während der zweite Nebenansaugkanal 18 in den Raum 10 mit Zwischenschaltung des zweiten Einlaßventils 22 mündet.
  • Der Auslaß der Gase aus dem verbrennungsraum 10 erfolgt durch einen stromabwärtigen Auslaßkanal 24 mit Zwischenschaltung des Auslaßventils 26.
  • Außer den drei Ventilen 20, 22 und 26 und der Zündkerze 28 ist in Figur 3 auch eine Kraftstoff-Einspritzdüse 30 schematisch dargestellt.
  • Erfindungsgemäß ist außerhalb des Verbrennungsraumes 10 parallel ein Rückführkanal 32 montiert.
  • Ein erstes Ende 32A des Rückführkanals 32 ist mit dem stromabwärtigen Auslaßkanal 24 zwischen dem Auslaßventil 26 und einem Ventil zur Regulation der Abgasdurchflußmenge in dem Kanal 24 verbunden, das schematisch in Form einer Drosselklappe 34 dargestellt ist.
  • Das zweite Ende 32B des Rückführkanals 32 ist mit dem ersten Nebenansaugkanal 16 zwischen dem ersten Einlaßventil 20 und einem Ventil 36 zur Regulation der Gasdurchflußmenge in dem ersten Nebenansaugkanal 16 verbunden.
  • Schließlich kann der Rückführkanal 32 in seinem mittleren Teil ein Ventil 38 zur Regulation der Durchflußmenge in dem Rückführkanal 32 enthalten, das wie das Ventil 36 und das Ventil 34 schematisch in Form einer Drosselklappe dargestellt ist.
  • Die gewünschte Rückführung der Abgase erfolgt durch Verbindung des Auslaßkanals 34 mit dem ersten Nebenansaugkanal 16, der mit dem ersten Einlaßventil 20 versehen ist.
  • Das Auslösen der Rückführung und das Ausmaß der Rückführung der Abgase wird durch die zugehörige Steuerschaltung (nicht dargestellt) mittels der Ventile 34, 36 und 38 in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt des Motors gesteuert.
  • Die Abgase, die durch das Einlaßventil 20 in den Verbrennungsraum 10 eindringen, füllen den Verbrennungsraum mit Ausnahme der Höhlung 11, in der die Spülung mit Frischluft, die durch das zweite Einlaßventil 22 eingeleitet wird, die Schaffung einer luftreichen Zone bewirkt, die beim Aufwärtshub des Kolbens bestehen bleibt.
  • Diese luftreiche Zone genügt, um einen korrekten Start der Verbrennung sicherzustellen, und dies unabhängig von der Menge der rückgeführten Abgase, die in dem übrigen Teil des Verbrennungsraumes vorhanden ist. Es ist so möglich, eine zufriedenstellende Verbrennung bei Teilbelastung mit einem Rückführungsgrad in der Größenordnung von 60% zu gewährleisten.

Claims (11)

1. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung von Kraftstoff, insbesondere Benzin, der für jeden seiner Zylinder (50) umfaßt:
einen Zylinderkopf (42), der auf dem oberen Teil (48) des Zylinders (50) einen Deckel bildet und der einen Verbrennungsraum (10) des Zylinders aufweist, der direkt mit dem oberen Ende (48) des Zylinders (50) in Verbindung steht;
ein erstes (20) und ein zweites (22) Einlaßventil für Frischluft, die beide (20, 22) in den Verbrennungsraum (10) münden;
ein Gasauslaßventil (26), das sich in den Verbrennungsraum (10) öffnet;
eine Zündkerze (28), die quer durch die Wand des Verbrennungsraumes (10) montiert und ins Innere des Raumes gerichtet ist;
wobei der Boden der Wand des Verbrennungsraumes (10), der dem oberen Ende (48) des Zylinders (50) gegenüberliegt, eine Höhlung (11) aufweist; und
eine Kraftstoff-Einsprilzdüse (30), die in der Wand dieser Höhlung (11) mündet;
wobei der von den Einlaß- (20, 22) und Auslaßventilen (26), dem Verbrennungsraum (10) und der Zündkerze (28) gebildete Komplex so angeordnet ist, daß, wenn der Kolben (52) des Zylinders (50) eine Translationsbewegung nach oben durchführt, die Luft oder das Luft/Benzin-Gasgemisch zum Verbrennungsraum (10) getrieben wird und hierbei eine Turbulenz geschaffen wird, welche die Verbrennung des Gasgemisches fördert, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einlaßventil (20) und das Auslaßventil (26) außerhalb der Höhlung (11) in den Verbrennungsraum (10) münden, während das zweite Einlaßventil (22) am oberen Boden der Höhlung (11) in den Verbrennungsraum mündet.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlung (11) in bezug auf die Achse (X-X) des Zylinders (50) versetzt ist.
3. Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (28) quer durch die Wand der Höhlung (11) montiert ist.
4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche&sub1; dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (A20, A22, A26) der Ventile in bezug auf die Achse (X-X) des Zylinders (50) geneigt sind.
5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (28) im wesentlichen in einer mittleren Position in der Höhlung (11) angeordnet ist.
6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zweiten Einlaßventils (22) kleiner als der Durchmesser des ersten Einlaßventils (20) ist.
7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (30) nahe der Zündkerze (28) in der Wand der Höhlung (11) mündet.
8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er für jeden Zylinder (50) einen Hauptansaugkanal (12), der sich in einen ersten (16) und einen zweiten (18) Nebenansaugkanal teilt, mit denen jeweils das erste (20) und das zweite (22) Einlaßventil verbunden sind, einen Auslaßkanal (24), der über das Auslaßventil (26) mit dem Verbrennungsraum (10) verbunden ist, und einen Kanal (32) zur Rückführung mindestens eines Teils der Abgase umfaßt, der parallel angeordnet ist und der stromaufwärts von dem ersten Einlaßventil (20) in den ersten Nebenansaugkanal (16) mündet.
9. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Steuerung (34, 36, 38) der durch den Rückführkanal (32) strömenden Abgasmenge aufweist.
10. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel mindestens ein stroinabwärtiges Ventil (34) mit gesteuerter Öffnung, das in dem Auslaßkanal (24) stromabwärts von der Verbindung (32A) des Rückführkanals (32) mit dem Auslaßkanal (24) angeordnet ist, und eine Schaltung zur Steuerung der Öffnung des stromabwärtigen Ventils (34) umfassen.
11. Motor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel mindestens ein stromaufwärtiges Ventil (36) mit gesteuerter Öffnung, das in dem ersten Nebenansaugkanal (16) stromaufwärts von der Verbindung (32B) des Rückführkanals (32) mit dem ersten Nebenansaugkanal (16) angeordnet ist, und eine Schaltung zur Steuerung der Öffnung des stromaufwärtigen Ventils (36) umfassen.
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