AT527987B1 - Brennkraftmaschine mit gemischverdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (100) mit Gemischverdichtung mit zumindest zwei Zylindern (1, 2), mit zumindest einem Brennraum (B) pro Zylinder (1, 2), der jeweils durch eine Brennraumdecke (5) des Zylinderkopfes (4) und eine Kolbenoberfläche eines im Zylinder (1, 2) hin- und hergehenden Kolben gebildet ist. Um den Wirkungsgrad sowohl bei Teillast als auch bei Volllast zu erhöhen, ist vorgesehen, dass zumindest zwei Zylinder (1, 2) unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse (ε) aufweisen, wobei zumindest ein erster Zylinder (1) ein größeres Verdichtungsverhältnis (ε) aufweist als zumindest ein zweiter Zylinder (2).

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Gemischverdichtung mit zumindest zwei Zylindern, mit zumindest einem Brennraum pro Zylinder, wobei der Brennraum jeweils durch eine Brennraumdecke des Zylinderkopfes und eine Kolbenoberfläche eines im Zylinder hin- und hergehenden Kolben gebildet ist, und mit zumindest zwei Gaswechselventilen pro Zylinder, wobei zumindest zwei Zylinder unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aufweisen, wobei zumindest ein erster Zylinder ein größeres Verdichtungsverhältnis aufweist als zumindest ein zweiter Zylinder und die Brennraumgestaltung des zumindest einen ersten Zylinders unterschiedlich ist zur Brennraumgestaltung des zumindest einen zweiten Zylinders, wobei eine zylinderindividuelle Brennraumgestaltung durch zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum verwirklicht ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Auslegen einer derartigen Brennkraftmaschine.

[0002] Die Effektivität des Hochdruckprozesses in einem Zylinder einer gemischverdichtenden und damit auf Klopfen generell anfälligen Brennkraftmaschine hängt neben anderen Parametern der Füllung wie Ladedruck und Ladetemperatur sehr stark vom Restgasanteil aus dem vorangegangenen Zyklus ab. Gemischverdichtung bezeichnet hier das Komprimieren eines Gemisches aus Luft und der Luft zugeführtem Treibstoff mittels aus dem Stand der Technik bekannter Hubkolbenprozesse.

[0003] Hohe Restgasgehalte begünstigen das Klopfen. Für ein gegebenes Volllast-Ziel bedeutet dies späte Zündwinkel und/oder ein reduziertes Verdichtungsverhältnis, was sich wiederum nachteilig auf den Motorwirkungsgrad im gesamten Kennfeld unterhalb der klopfgeregelten Volllast auswirkt.

[0004] Der Restgasanteil seinerseits hängt von der Lage und Größe der Phase der Ventilüberschneidung im Bereich des oberen Totpunktes des Ladungswechsels ab, in der die Auslassventile noch geöffnet und die Einlassventile schon geöffnet sind, sowie von den in dieser Phase momentan vorhandenen Druckverhältnisse von Auspuff- und Saugseite.

[0005] Für einen hohen Wirkungsgrad ist ein hohes Verdichtungsverhältnis maßgebend. Um dies Zu erreichen, wird die Ventilüberschneidung bei Volllast für möglichst niedrige Restgasanteile im Zylinder eingestellt, ohne dass ein Durchspülen von Frischladung in den Auslass auftritt.

[0006] Solange Zylinder mit gleichmäßigen Zündabständen in einen Abgaskrümmer münden, kann eine für alle Zylinder annähernd gleiche Restgasmenge mit einer einzigen Definition der Ventilüberschneidung erreicht werden. Damit lassen sich alle Zylinder bezüglich Verdichtungsverhältnis und Verbrennungslage gleichzeitig auf Optimalwerte für ein gegebenes Brennverfahren stellen.

[0007] Münden jedoch Zylinder mit stark ungleichmäßigen Zündabständen in einen Abgaskrümmer wie beispielsweise typisch für V8-Motoren mit kreuzförmiger Kurbelwelle, dann liegen in der Phase der Ventilüberschneidung - also um den oberen Totpunkt des Ladungswechsels - zylinderspezifisch aufgrund der Auslasspulse der angeschlossenen Nachbarzylinder mitunter stark unterschiedliche Auspuffdrücke an, die im Fall einer gegebenen Ventilüberschneidung zu sehr unterschiedlichen Restgasgehalten und folglich unterschiedlichem Klopfverhalten der Zylinder führen.

[0008] Mit einem einzigen Zündwinkel für den Gesamtmotor müsste dieser auf den klopfkritischsten Zylinder abgestimmt werden, folglich bleiben die weniger klopfkritischen Zylinder unterhalb ihres möglichen Leistungspotentials. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses für besseren Teillastverbrauch ist also nicht möglich, ohne dass dies zu einer Verschlechterung bei Volllast, also im Betrieb mit Klopfbegrenzung, führen würde.

[0009] Zur Verbesserung für diese Situation sind folgende Maßnahmen bekannt: * Zünden jedes Zylinders spezifisch für seine Restgassituation: Dies entspricht im Ansatz dem Wesen einer zylinderindividuellen Klopfregelung, ist aus Gründen der Klopferken-

nung und Klopfregelung nur sehr bedingt möglich.

* Besseres Gleichstellen der Restgasgehalte der individuellen Zylinder durch zylinderindividuell abgestimmte Ventilüberschneidungen.

* Gleichstellung der Restgasgehalte und damit des Klopfens der individuellen Zylinder, indem die Ventilüberschneidung für alle Zylinder so klein eingestellt wird, dass es in allen Zylindern zu einer gleich groß ausgeprägten Restgasverdichtung kommt und so die individuellen Restgasanteile unabhängig von den individuellen Auspuff-Druckpulsen werden. Mit dieser Maßnahme pendelt sich das Restgasniveau zwar gleichmäßig, jedoch auf einem ungünstig hohen Niveau ein. Eine derartige Brennkraftmaschine ist zwar seitens der Zündsteuerung und Klopfregelung einfach zu betreiben, jedoch bleiben die Möglichkeiten, Leistung und Verbrauch insbesondere durch ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis zu verbessern, begrenzt.

[0010] Die DE 10 2012 210 303 A1 beschreibt eine fremdgezündete Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit mindestens vier in Reihe angeordnete Zylinder, wobei die außenliegenden Zylinder längere Öffnungsdauern der Auslassöffnungen aufweisen als die innenliegenden Zylinder. Die zylinderindividuellen Öffnungsdauern werden durch zylinderindividuelle Nockenprofile erzielt.

[0011] Die DE 100 18 060 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes mit zylinderindividuellen Ventilen für eine Brennkraftmaschine. Hierbei wird das Volumen aller jeweiligen Zylindern zugeordnete Brennräume des Zylinderkopfes bestimmt und dieses so bestimmte Volumen eines jeden Brennraumes mit einem gewünschten Sollvolumen für den Brennraum verglichen, wobei in Abhängigkeit von der Volumenklasse jedem Zylinder individuelle Ventile zugeführt werden, welche derart ausgebildet sind, dass sie eine Differenz zwischen den bestimmten Volumina und dem gewünschten Sollvolumen bestmöglich ausgleichen.

[0012] Aus der DE 199 54 689 A1 ist eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylinderreihe bekannt, wobei Mittel zur Realisierung von unterschiedlichen Auslassventilhubverläufen von mindestens zwei in einer Reihe angeordneten Zylindern vorgesehen sind, die zu einer Reduzierung der Öffnungs-Überschneidungsphasen dieser Auslassventile führen, wobei sich das Einlassventil und das Auslassventil einer der beiden Zylinder selbst in einer Überschneidungsphase befinden. Dadurch soll ein einheitliches Befüllen der Zylinder mit Frischgas erreicht werden.

[0013] Die DE 10 2019 003 538 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit mehreren Zylindern, wobei ein zweiter Zylinder ein Verdichtungsverhältnis aufweist, welches geringer ist als das Verdichtungsverhältnis eines ersten Zylinders. Der Brennraum des zweiten Zylinders ist konstruktiv größer ausgeführt als der Brennraum des ersten Zylinders.

[0014] Die Veröffentlichungen DE 10 2012 331 109 B4, EP 2 657 484 B1 und DE 830 50 73 U1 zeigen ähnliche Anordnungen.

[0015] Aufgabe der Erfindung ist es, bei Brennkraftmaschinen den Wirkungsgrad sowohl bei Teillast als auch bei Volllast zu erhöhen.

[0016] Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum durch eine Materialanformung im Bereich einer Brennraumdecke des zumindest einen ersten Zylinders und/oder durch eine Materialanformung an einer Kolbenoberfläche des zumindest einen ersten Zylinders gebildet ist.

[0017] Gemäß der Erfindung wird das Verdichtungsverhältnis bei jedem Zylinder auf jenen minimalen Restgasanteil eingestellt, bei welcher eine gewünschte Ziel-Brennschwerpunktlage erreicht werden kann. Jeder Arbeitszylinder erhält somit eine individuelle Anpassung des Verdichtungsverhältnisses für ein zylinderindividuelles Minimum an Restgasanteil.

[0018] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis des zumindest einen ersten Zylinders um zumindest 1,5% größer ist als das Verdichtungsverhältnis des zumindest einen zweiten Zylinders.

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[0019] Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des gesamten maximalen Brennraumvolumens vor der Verdichtung - zum verbliebenen minimalen Brennraumvolumen nach der Verdichtung.

[0020] Der Begriff Brennraumvolumen bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Summe aus dem Brennraumbereich im Zylinderkopf bis zur dortigen Brennraumdecke, der Kolbenmulde in der Kolbenoberfläche des Zylinders und, gegebenenfalls, dem sich im Zylinder innerhalb des Zylinderblocks ausbildenden zylindrischen Volumen zwischen der Kolbenoberfläche im oberen Totpunkt des Kolbens und der Unterseite des Zylinderkopfes. Zusätzlich erfasst ist das durch den Hub des Kolbens veränderliche Hubvolumen.

[0021] Die Unterschiede in den Verdichtungsverhältnissen zwischen dem zumindest einem ersten Zylinder und dem zumindest einem zweiten Zylinder durch zylinderindividuelle Brennraumgestaltung realisiert, wobei aufgrund der Brennraumgestaltung der zumindest eine erste Zylinder ein kleineres Zylindervolumen aufweist als der zumindest eine zweite Zylinder. Das bedeutet, dass die Brennraumgestaltung des zumindest einen ersten Zylinders unterschiedlich ist zur Brennraumgestaltung des zumindest einen zweiten Zylinders. Die zylinderindividuelle Brennraumgestaltung ist durch zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum verwirklicht. Unter konstruktiven Maßnahmen werden hier neben bearbeitungstechnischen auch gusstechnische Maßnahmen verstanden, die zylinderindividuelle Brennraumgestaltung kann also durch eine gusstechnische und/oder bearbeitungstechnische Maßnahme erfolgen.

[0022] Wie erwähnt, ist die zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum durch eine Materialanformung im Bereich einer Brennraumdecke und/oder durch eine Materialanformung an einer Kolbenoberfläche des zumindest einen ersten Zylinders gebildet. Hinsichtlich der Brennraumdecke wird also ein ausreichend großer Bereich der Brennraumform für die Platzierung der Materialanformung genutzt, sodass eine Umsetzung für eine beliebige Ventilanzahl - sowohl bei je nur einem Ein- und Auslassventil als auch bei je zwei oder mehr Ventilen - möglich ist. Kolbenoberfläche bedeutet dabei denjenigen Bereich eines Kolbens, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Kolbens einem Zylinderkopf zugewandt ist und in dem üblicherweise eine Kolbenmulde ausgeführt ist.

[0023] Eine günstige Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Materialanformung an der Brennraumdecke des zumindest einen ersten Zylinders im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei Gaswechselventilen angeordnet ist.

[0024] Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine erste Zylinder zwei Auslassventile aufweist, zwischen denen eine Auslassventilbrücke ausgeführt ist, und zumindest eine Materialanformung an der Brennraumdecke des zumindest einen ersten Zylinders im Bereich der Auslassventilbrücke angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Materialanformung an der Brennraumdecke des zumindest einen ersten Zylinders im Bereich zumindest einer Einlass/Auslass-Ventilbrücke angeordnet ist.

[0025] Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Auslegung einer Brennkraftmaschine der genannten Art dadurch gelöst, dass folgende Schritte durchgeführt werden:

* Einteilen der Zylinder in im Hinblick auf eine thermodynamisches Effizienz der Brennräume optimale erste Zylinder und suboptimale zweite Zylinder;

* Anpassen von zylinderspezifischen Restgasanteilen der Zylinder bei Volllast derart, dass sich für jeden Zylinder ein möglichst niedriger Restgasanteil innerhalb definierter Randbedingungen einstellt, vorzugsweise unter Rücksicht auf Erfordernisse von Leerlauf und Teillast - dies wird beispielsweise durch das Einstellen der Ventilüberschneidungen erreicht;

* Einstellen der zylinderspezifischen Zündwinkel jedes Zylinders auf die zylinderindividuelle Klopfgrenze bei Volllast; es ergeben sich in diesem Zwischenschritt für die optimalen ersten Zylinder relativ frühe Lagen des Brennschwerpunktes und hohe Zylinderdrücke, für die suboptimalen zweiten Zylinder relativ späte Lagen und niedrige Zylinderdrücke.

* Anheben des Verdichtungsverhältnisses bei Volllast zumindest eines optimalen ersten

Zylinders derart, dass damit der gleiche späte Brennschwerpunkt wie bei dem zumindest einen suboptimalen zweiten Zylindern erreicht wird. Die Anhebung der Verdichtungsverhältnisse der optimalen ersten Zylinder erfolgt somit in jenen Maßen, dass damit der noch akzeptable späte Brennschwerpunkt der suboptimalen zweiten Zylinder (deren Verdichtungsverhältnis unverändert bleibt) nun auch mit den optimalen ersten Zylindern erreicht wird, wobei

das Anheben des Verdichtungsverhältnisses durch zylinderindividuelle Brennraumgestaltung realisiert wird, und die zylinderindividuelle Brennraumgestaltung durch zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum verwirklicht wird.

[0026] Nach diesem letzten Schritt ist ein in Bezug auf die Qualität des Ladungswechsels sehr inhomogene Brennkraftmaschine bei Volllast auf die individuell maximal effektive Nutzung aller Zylinder mit ähnlichen Zündwinkeln und Verbrennungslagen eingestellt. Jeder Zylinder ist damit auf sein spezifisches thermodynamisches Optimum per erhöhtem Verdichtungsverhältnis eingestellt. Die dabei erhaltenen maximal hohen Verdichtungsverhältnisse der individuellen Zylinder bewirken eine Maximierung der Leistung und/oder der Effizienz des Gesamtmotors im Teillastgebiet.

[0027] In einer Variante der Erfindung kann vorzugsweise ein Einstellen eines gemeinsamen Verdichtungsverhältnisses aller Zylinder bei Volllast derart erfolgen, dass die Lage des Brennschwerpunktes zumindest eines suboptimalen zweiten Zylinders so spät wie möglich ist. Dieser Schritt kann günstigerweise zwischen dem Einstellen der zylinderspezifischen Zündwinkel jedes Zylinders und dem Angeben des Verdichtungsverhältnisses bei Volllast zumindest eines optimalen ersten Zylinders erfolgen. Gegebenenfalls wird das gemeinsame Verdichtungsverhältnis also abschließend so modifiziert, dass die Lagen des Brennschwerpunktes der suboptimalen zweiten Zylinder noch akzeptabel spät bleiben.

[0028] Die Unterschiede in den Verdichtungsverhältnissen zwischen dem zumindest einem optimalen ersten Zylinder und dem zumindest einen suboptimalen zweiten Zylinder - welche beispielsweise mindestens 1,5 % betragen - können durch verschiedene bekannte Maßnahmen zum Verändern des Verdichtungsverhältnisse eingestellt werden. Beispielsweise können unterschiedlich lange Pleuelstangen für die ersten und zweiten Zylinder verwendet werden. Der zumindest eine erste Zylinder weist in diesem Falle eine geringfügig längere Pleuelstange auf als der zumindest eine zweite Zylinder.

[0029] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anheben des Verdichtungsverhältnisses durch Verkleinern des Brennraumvolumens des zumindest einen ersten Zylinders. Die zylinderindividuelle Brennraumgestaltung kann durch zumindest eine konstruktive Maßnahme verwirklicht werden, wie unterschiedlich tief in den Brennraum hineinragende Einbauelemente wie Zündkerzen oder Einspritzventile, durch subtraktive Maßnahmen, wie zum Beispiel Bearbeitung der Ventilteller der Gaswechselventile oder der Brennraumdecke, oder durch additive Maßnahmen, wie beispielsweise guss- oder bearbeitungstechnischer Art an der Brennraumdecke oder im Brennraumboden.

[0030] Beispielsweise kann die additive Maßnahme in gusstechnischen oder bearbeitungstechnischen Maßnahmen an der Kolbenoberfläche zumindest eines einem ersten Zylinder zugeordneten Kolbens bestehen. Diese Maßnahme ist kostengünstig, einfach und auch nachträglich leicht durchzuführen. Nachteilig ist, dass durch die Möglichkeit des Vertauschens von Kolben zwischen ersten und zweiten Zylindern bei Montage und Reparaturen potenziell eine Fehlerquelle eröffnet wird.

[0031] Diese Fehlerquelle kann ausgeräumt werden, wenn die zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum durch eine Materialanformung im Bereich einer Brennraumdecke des zumindest einen ersten Zylinders gebildet wird. Die konstruktive Maßnahme im Bereich der Brennraumdecke hat den Vorteil, dass diese unveränderlich an den entsprechenden Zylinder gebunden ist und somit eine unabsichtliche Veränderung des Verdichtungsverhältnisses durch beispielsweise falsche Zuordnung der Kolben zu den Zylindern nicht möglich ist.

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[0032] Dabei kann die zumindest eine Materialanformung an der Brennraumdecke im Bereich zumindest einer Ventilbrücke zwischen zwei Gaswechselventilen angeordnet werden. Günstigerweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Materialanformung an der Brennraumdecke im Bereich einer Auslass-Ventilbrücke oder im Bereich zumindest einer Einlass/Auslass-Ventilbrücke angeordnet wird.

[0033] Das Anpassen des Restgasanteils erfolgt günstigerweise durch zylinderindividuelle Gestaltung der Ventilüberschneidung mit unterschiedlichen Zeitpunkten für das Schließen des Auslassventils und/oder Öffnen des Einlassventils. Insbesondere kann das Anpassen des Restgasanteils durch zylinderindividuelle Zuordnung von Ventilöffnungsdauern, insbesondere eines Auslassventils oder der Auslassventile, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Anpassen des Restgasanteils durch zylinderindividuelle Zuordnung von Verläufen von Ventilhüben, insbesondere der Gestaltung der Formen von Schließ- und Öffnungsrampen der Ventilhübe für zumindest ein Auslassventil und/oder zumindest ein Einlassventil in den Bereichen der Ventilhübe von 0 mm bis etwa 1/3 des maximalen Ventilhubes erfolgen.

[0034] Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den folgenden Figuren dargestellten nichteinschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:

[0035] Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

[0036] Fig. 2 ein Diagramm mit dem Restgasgehalt verschiedener Zylinder einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Motordrehzahl;

[0037] Fig. 3 ein Zylinderdruck-Kurbelwinkel-Diagramm dieser Brennkraftmaschine; [0038] Fig. 4 ein Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramm dieser Brennkraftmaschine; und

[0039] Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Brennraumdecke eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

[0040] Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 100 mit einem Zylinderkopf 4 und einem Zylinderblock 14. Die Brennkraftmaschine 100 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Zylinder 1, 2 auf, die im Wesentlichen im Zylinderblock 14 ausgeführt und vom Zylinderkopf 4 begrenzt sind. Zylinder 1 ist dabei unterschiedlich zu Zylindern 2 ausgeführt, wie nachfolgend noch erläutert wird.

[0041] Während in Fig. 1 eine vierzylindrige Brennkraftmaschine 100 mit einem ersten Zylinder 1 und drei zweiten Zylindern 2 ausgeführt ist, ist die Erfindung auch auf Brennkraftmaschinen 100 mit mehr oder weniger Zylindern anwendbar, wobei natürlich auch mehr oder weniger erste Zylinder 1 und zweite Zylinder 2 vorgesehen sein können. Das Brennraumvolumen ist während der Hin- und Her-Bewegung (bzw. Auf- und Ab-Bewegung) des Kolbens 15 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 100 variabel, insbesondere hinsichtlich eines Hubvolumens - darunter wird jener Teil des Brennraumvolumens verstanden, der vom Kolben 15 bei dessen Bewegung überstrichen wird.

[0042] In den Zylindern 1, 2 sind Kolben 15 hin- und hergehend geführt. Je Zylinder 1, 2 ist ein Brennraum B ausgeführt, der im Wesentlichen durch den Zylinder 1, 2, den jeweiligen Kolben 15 und die Brennraumdecke 5 (siehe Fig. 5) als Teil des Zylinderkopfes 4 gebildet ist. Mit anderen Worten befindet sich im Zylinder 1, 2 ein Brennraum B, der von einer durch den bzw. im Zylinderkopf 4 gebildeten Brennraumdecke 5 und einen im Zylinder 1, 2 verschieblichen Kolben 15, insbesondere dessen Kolbenoberfläche und der darin ausgeführten Kolbenmulde, begrenzt wird. Zusätzlich kann je nach Ausführung der Brennkraftmaschine 100 noch ein sich im Zylinder 1, 2 innerhalb des Zylinderblocks 14 ausbildendes scheibenförmiges zylindrisches Volumen zwischen der Kolbenoberfläche im oberen Totpunkt des Kolbens 1, 2 und der Unterseite des Zylinderkopfes 4 bzw. des Übergangs zwischen Zylinderblock 14 und Zylinderkopf 4 dem Brennraum zugerechnet werden.

[0043] Jedem Zylinder 1, 2 sind zumindest zwei Gaswechselventile 6, 7 (siehe Fig. 5) zugeordnet, wobei je zumindest ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 7 vorgesehen sind, vorzugsweise aber - so wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 - jeweils zwei Einlass- 6 und Auslass-

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ventile 7. Zwischen den Gaswechselventilen 6, 7 sind Ventilbrücken ausgeführt, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 näher erläutert wird.

[0044] In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Restgasgehalte R der Zylinder 1, 2 einer V8- Kreuzwellen-Brennkraftmaschine über der Motordrehzahl n aufgetragen sind. Die Restgasanteile R sind zwischen thermodynamisch optimalen ersten Zylindern 1 und suboptimalen zweiten Zylindern 2 recht weit gestreut. Thermodynamisch optimale erste Zylinder 1 sind wenig klopfanfällig und weisen eine relativ frühe Verbrennungslage sowie ein relativ hohes Verdichtungsverhältnis £ auf. Thermodynamisch suboptimale zweite Zylinder 2 sind klopfanfällig, weisen eine relativ späte Verbrennungslage und ein relativ niedriges Verdichtungsverhältnis & auf.

[0045] Das Verdichtungsverhältnis & ist das Verhältnis des gesamten maximalen Brennraumvolumens vor der Verdichtung (wenn sich der Kolben 15 im unteren Totpunkt befindet) - zum verbliebenen minimalen Brennraumvolumen nach der Verdichtung (wenn sich der Kolben 15 im oberen Totpunkt befindet). Das verbliebene minimale Brennraumvolumen nach der Verdichtung wird als Verdichtungsvolumen Ve bezeichnet. Das gesamte maximale Brennraumvolumen vor der Verdichtung setzt sich aus dem durch den Hub des Kolbens veränderlichen Hubvolumen VE und dem konstruktiv vorgegebenen Schad- oder Verdichtungsvolumen Ve zusammen. Das Verdichtungsverhältnis £ berechnet sich mit dem Hubvolumen V4H und dem Schad- oder Verdichtungsvolumen Ve wie folgt:

[0046] In Fig. 3 sind die Zylinderdrücke p einer Brennkraftmaschine für Volllast über dem Kurbelwinkel KW dargestellt. Unterschiedliche Auslass-Gasschwingungen bewirken Restgas-Differenzen, wenn sie über eine genügend große Ventilüberschneidung Ü1, Ü2 überströmen können. Der Restgasanteil R orientiert sich damit an den thermodynamisch schlechteren bzw. suboptimalen zweiten Zylindern 2, die thermodynamisch mittelguten Zylinder 3 und vor allem die thermodynamisch besseren bzw. optimalen ersten Zylinder 1 können ihr Potential hinsichtlich Verträglichkeit mit höherem Verdichtungsverhältnis £ nicht ausspielen. Thermodynamisch mittelgute Zylinder 3 befinden sich thermodynamisch zwischen den suboptimalen zweiten Zylindern 2 und den optimalen ersten Zylindern 1. Um eine Maximierung von Leistung und/oder Effizienz bei Teillast des Gesamtmotors zu erreichen, wird jeder Zylinder 1, 2 durch Anpassen bzw. Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses € auf sein spezifisches thermodynamisches Optimum eingestellt und betrieben. Folgende Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen dies:

[0047] Schritt 1, bei Volllast: Einstellung zylinderspezifischer Ventilüberschneidungen für die jeweils möglichen niedrigsten Restgas-Anteile (innerhalb gesetzter Grenzen für zum Beispiel Spülen). Die wegen ihrer Ladungswechsel-Bedingungen „schlechtesten“ thermodynamisch suboptimalen zweiten Zylinder 2 werden folglich andere Ventilüberschneidungen Ü2 erhalten als die „besseren“ Zylinder mit mittelgroßen Ventilüberschneidungen, die „besten“ thermodynamisch optimalen ersten Zylinder 1 erhalten wiederum andere Ventilüberschneidungen Ü1, unter Rücksicht auf die Erfordernisse von Leerlauf und Teillast.

[0048] In Fig. 4 ist der Ventilhub h der Einlassventile E und der Auslassventile A über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen für einen thermodynamisch optimalen ersten Zylinder 1 und einem thermodynamisch suboptimalen zweiten Zylinder 2 dargestellt. Die Ventilüberschneidungen Ü1 und Ü2 für den ersten Zylinder 1 und den zweiten Zylinder 2 sind jeweils auf möglichst niedrige Restgasanteile R eingestellt. Me ersichtlich, weist der zweite Zylinder 2 eine andere Ventilüberschneidung Ü2 auf als der erste Zylinder 1.

[0049] Schritt 2, Zwischenschritt bei Volllast: Einstellen der Zündwinkel auf die zylinderindividuelle Klopfgrenze, also für die „besten“ optimalen ersten Zylinder 1 relativ frühe Lagen des Brennschwerpunktes und hohe Zylinderdrücke, für die „schlechtesten“ suboptimalen zweiten Zylinder 2 relativ späte Verbrennungslagen und niedrige Zylinderdrücke p. Gegebenenfalls wird das gemeinsame Verdichtungsverhältnis & dabei abschließend so modifiziert, dass die Lagen der Brennschwerpunkte der „schlechten“ suboptimalen zweiten Zylinder 2 noch akzeptabel spät bleiben.

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[0050] Schritt 3, Ziel für Volllast: Anhebung der Verdichtungsverhältnisse £ der besseren/besten ersten Zylinder 1 in jenen Maßen, dass damit der noch akzeptable späte Brennschwerpunkt der schlechten zweiten Zylinder 2 (deren Verdichtungsverhältnisse £ unverändert bleiben) nun auch mit den „guten“ ersten Zylindern 1 erreicht wird.

[0051] Nach diesem letzten Schritt ist ein in Bezug auf die Qualität des Ladungswechsels sehr inhomogener Motor bei Volllast auf die individuell maximal effektive Nutzung aller Zylinder 1, 2 mit ähnlichen Zündwinkeln und ähnlichen Lagen der Brennschwerpunkte eingestellt. Die dabei erhaltenen maximal hohen Verdichtungsverhältnisse £ der individuellen Zylinder 1, 2 bewirken eine maximale Effizienz des Gesamtmotors im Teillastgebiet.

[0052] Die Realisierung der unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse £ können in der Gussform der Zylinderköpfe 4 quasi kostenneutral berücksichtigt sein.

[0053] Fig. 5 zeigt eine durch einen Zylinderkopf 4 gebildete dachförmige Brennraumdecke 5 eines ersten Zylinders 1, mit vier Gaswechselventilen 6, 7 pro Zylinder 1, 2. Der erste Zylinder 1 ist durch eine in Fig. 5 nicht weiter ersichtliche Bohrung (siehe beispielhaft Fig. 1) mit einem Bohrungsdurchmesser D gebildet. Mit Bezugszeichen 6 sind Einlassventile, mit Bezugszeichen 7 Auslassventile bezeichnet. Es ist erkennbar, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Einlassventile 6 und zwei Auslassventile 7 dem Zylinder 1 zugeordnet sind. Die Brennraumdecke 5 spannt mit dem in Fig. 5 nicht weiter dargestellten Kolben 15 den Brennraum B im ersten Zylinder 1 auf. Mittig ist im Bereich der Zylinderachse 1a des ersten Zylinders 1 eine Zündkerzenöffnung 8 angeordnet. Seitlich am äußeren Rand der Einlassventilbrücke 9 zwischen den beiden Einlassventilen 6 im Bereich zwischen den beiden Einlassventilen 6 ist eine Injektoröffnung 10 für ein nicht weiter dargestelltes Kraftstoffeinspritzventil angeordnet.

[0054] Im Bereich der Auslassventilbrücke 11 zwischen den beiden Auslassventilen 7 und der Einlass-/Auslassventilbrücken 12, 13 zwischen jeweils einem Einlassventil 6 und einem Auslassventil 7 befinden sich Quetschflächen darstellende Gussflächen, die typischerweise zur Anpassung des Verdichtungsverhältnisses £& durch geänderte Ausformung ihrer Höhenlage im Ausmaß von bis zu 1,5% des Bohrungsdurchmessers D veränderbar sind. Insbesondere können in den Bereichen der Gussflächen bei den ersten Zylindern 1 gusstechnische Materialanformungen M vorgenommen werden und auf diese Weise das Verdichtungsverhältnis & dieser ersten Zylinder im Verhältnis zu den zweiten Zylindern 2 erhöht werden.

[0055] Dadurch kann - insbesondere in Kombination mit einer Nockenwelle mit unterschiedlichen Steuerzeiten für die einzelnen Zylinder 1, 2 - eine Maximierung der Leistung und/oder der Effizienz bei Teillast des Gesamtmotors erreicht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine 100 mit mehreren Zylindern 1, 2 so ausgelegt, dass jeder Zylinder 1, 2 eine individuelle Auslegung des jeweiligen Ladungswechsels erfährt, mit der ein von den anderen Randbedingungen des Zylinders 1, 2 abhängiges individuelles Minimum an Restgasanteil R bei Volllastbetrieb erzielt wird. Das daraus resultierende zylinderindividuelle Potential wird für einen vergrößerten Abstand der Klopfgrenze zur Lage des Brennschwerpunktes zur zylinderindividuellen Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses £ genutzt. Die Abstimmung der individuellen Verdichtungsverhältnisse € erfolgt dabei über die Zuordnung individueller Brennräume im Zylinderkopf 4. Das bedeutet, dass eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 100 insbesondere auch dadurch gekennzeichnet ist, dass sich erste Zylinder 1 und zweite Zylinder 2 durch die Ausführung ihrer jeweiligen Brennraumdecke 5 bzw. die dort ausgeführten Materialanformungen M unterscheiden können.

[0056] Die Anpassung des Restgasanteils R kann durch zylinderindividuelle Gestaltung der Ventilüberschneidung U1, Ü2 mit unterschiedlichen Zeitpunkten für das Schließen des Auslassventils 7 und Öffnen des Einlassventils 6 erzielt werden. Weiters kann die Anpassung des Restgasanteils R durch zylinderindividuelle Zuordnung von Ventilöffnungsdauern, insbesondere der Auslassventile 7, erzielt werden.

[0057] Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung des Restgasanteils R durch zylinderindividuelle Zuordnung der Verläufe der Ventilhübe h, insbesondere der Gestaltung der Formen von

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Schließ- und Öffnungsrampen für die Auslassventile 7 und Einlassventile 6 in den Bereichen der Ventilhübe h von 0 mm (geschlossen) bis etwa 1/3 des maximalen Ventilhubes h erzielt werden.

Claims (10)

A ‚hes AT 527 987 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Brennkraftmaschine (100) mit Gemischverdichtung mit zumindest zwei Zylindern (1, 2), mit zumindest einem Brennraum (B) pro Zylinder (1, 2), wobei der Brennraum (B) jeweils durch eine Brennraumdecke (5) des Zylinderkopfes (4) und eine Kolbenoberfläche eines im Zylinder (1, 2) hin- und hergehenden Kolbens (15) gebildet ist, und mit zumindest zwei Gaswechselventilen (6, 7) pro Zylinder (1, 2), wobei zumindest zwei Zylinder (1, 2) unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse (£) aufweisen, wobei zumindest ein erster Zylinder (1) ein größeres Verdichtungsverhältnis (£) aufweist als zumindest ein zweiter Zylinder (2) und die Brennraumgestaltung des zumindest einen ersten Zylinders (1) unterschiedlich ist zur Brennraumgestaltung des zumindest einen zweiten Zylinders (2), wobei eine zylinderindividuelle Brennraumgestaltung durch zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum (B) verwirklicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum (B) durch eine Materialanformung (M) im Bereich einer Brennraumdecke (5) des zumindest einen ersten Zylinders (1) und/oder durch eine Materialanformung (M) an einer Kolbenoberfläche des zumindest einen ersten Zylinders (1) gebildet ist.

2. Brennkraftmaschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis (£) des zumindest einen ersten Zylinders (1) um zumindest 1,5% größer ist als das Verdichtungsverhältnis (£) des zumindest einen zweiten Zylinders (2).

3. Brennkraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Materialanformung (M) an der Brennraumdecke (5) des zumindest einen ersten Zylinders (1) im Bereich zumindest einer Ventilbrücke 11, 12, 13) zwischen zwei Gaswechselventilen (6, 7) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Zylinder (1) zwei Auslassventile (7) aufweist, zwischen denen eine Auslassventilbrücke (11) ausgeführt ist, und zumindest eine Materialanformung (M) an der Brennraumdecke (5) des zumindest einen ersten Zylinders (1) im Bereich der Auslassventilbrücke (11) angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Materialanformung (M) an der Brennraumdecke (5) des zumindest einen ersten Zylinders (1) im Bereich zumindest einer Einlass-/Auslass-Ventilbrücke (12, 13) angeordnet ist.

6. Verfahren zum Auslegen einer Brennkraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden:

* Einteilen der Zylinder (1, 2) in im Hinblick auf eine thermodynamische Effizienz der Brennräume (B) optimale erste Zylinder (1) und suboptimale zweite Zylinder (2);

* Anpassen von zylinderspezifischen Restgasanteilen (R) der Zylinder (1, 2) bei Volllast derart, dass sich für jeden Zylinder (1, 2) ein möglichst niedriger Restgasanteil (R) innerhalb definierter Randbedingungen einstellt;

* Einstellen der zylinderspezifischen Zündwinkel jedes Zylinders (1, 2) auf die zylinderindividuelle Klopfgrenze bei Volllast;

* Anheben des Verdichtungsverhältnisses (e) bei Volllast zumindest eines optimalen ersten Zylinders (1) derart, dass damit der gleiche späte Brennschwerpunkt wie bei dem zumindest einen suboptimalen zweiten Zylindern (2) erreicht wird, wobei

* das Anheben des Verdichtungsverhältnisses (€) durch zylinderindividuelle Brennraumgestaltung realisiert wird, und die zylinderindividuelle Brennraumgestaltung durch zumindest eine konstruktive Maßnahme im Brennraum (B) verwirklicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben des Verdichtungsverhältnisses (£) durch Verkleinern des Brennraumvolumens des zumindest einen ersten Zylinder (1) realisiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des Restgasanteils (R) durch zylinderindividuelle Gestaltung der Ventilüberschneidung (01, 02) mit unterschiedlichen Zeitpunkten für das Schließen des Auslassventils (7) und/oder Öffnen zumindest eines Einlassventils (6) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des Restgasanteils (R) durch zylinderindividuelle Zuordnung von Ventilöffnungsdauern, insbesondere zumindest eines Auslassventiles (7), erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des Restgasanteils (R) durch zylinderindividuelle Zuordnung von Verläufen von Ventilhüben (h), insbesondere der Gestaltung der Formen von Schließ- und Öffnungsrampen der Ventilhübe (h) für zumindest ein Auslassventil (7) und/oder zumindest ein Einlassventil (6) in den Bereichen der Ventilhübe (h) von 0 mm bis etwa 1/3 des maximalen Ventilhubes (h) erfolgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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