AT2489U1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit fremdzündung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest einem Einlaßkanal (7, 8) pro Zylinder (1), in welchen eine erste Einspritzvorrichtung (15) zur indirekten Kraftstoffeinspritzung einmündet. Um die Vorteile von direkter und indirekter Einspritzung zu vereinen ohne deren Nachteile zu haben , ist zusätzlich eine zweite, in den Brennraum (6) mündende Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen. Im Leerlaufbereich erfolgt dabei eine direkte Einspritzung und im Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Einspritzung.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest einem Einlaßkanal pro Zylinder, in welchen eine erste Einspritzvorrichtug zur indirekten Kraftstoffeinspritzung einmündet. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb dieser Brennkraftmaschine.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit indirekter Kraftstoffeinspritzung ist aus der AT 402 535 B bekannt. Die Brennkraftmaschine weist zwei Einlaßkanäle pro Zylinder auf, von denen einer als Neutralkanal und der andere als Tangentialkanal ausgebildet ist. Die Kraftstoffeinspritzung kann dabei in einen oder in beide Einlaßkanäle erfolgen, wobei pro Einlaßkanal eine Einspritzvorrichtung vorgesehen sein kann. In einer weiteren Ausführungs-Variante ist die Einspritzvorrichtung mittig zwischen den beiden Einlaßkanälen angeordnet und spritzt über ein Fenster zwischen den beiden Einlaßkanälen Kraftstoff in beide Einlaßkanäle ein. Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer derartigen Brennkraftmaschine ab dem unteren Teillastbereich Kraftstoffverbräuche erzielt werden können, die mit einer Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzenden Brennkraftmaschine vergleichbar sind, insbesondere, wenn der Motor mit hohen Abgasrückführraten betrieben wird. Im Leerlaufbereich lassen sich keine Verbrauchsvorteile durch Abgasrückfuhrung erzielen, da die Verbrennung im Leerlauf keine Abgasrückfuhrung toleriert.

Weiters sind direkt einspritzende Otto-Brennkraftmaschinen bekannt, die über den gesamten Motorbetriebsbereich, also sowohl im Leerlauf als auch im Vollastbetrieb Kraftstoff über Einspritzdüsen direkt in den Brennraum einbringen. Diese Brennkraftmaschinen werden üblicherweise im Leerlauf und im unteren Teillastbereich geschichtet mit einer Einspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt und im übrigen Betriebsbereich homogen mit einer Einspritzung lange vor dem oberen Totpunkt der Zündung betrieben. Insbesondere im Teillastbereich arbeiten diese Motoren geschichtet, also mager (Lambda größer 1), weshalb (Sauerstofftiberschuß) eine Reduktion von Stickoxiden (NOx) mit einem Dreiwegkatalysator nicht möglich ist. Es ist eine aufwendige Stickoxidnachbehandlung, beispielsweise mit einem Denox-Katalysator, notwendig. Da die Einspritzdüsen den gesamten Betriebsbereich vom Leerlauf bis zur Vollast des Motors in Hinblick auf Durchflußmengen, Einspritzdruck und Temperaturen tolerieren müssen, sind diese Einspritzsysteme vergleichsweise aufwendig und teuer. Andererseits kann mit direkter Kraftstoffeinspritzung ein extremer Magerbetrieb im unteren Betriebsbereich des Motors realisiert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer firemdgezündeten Brennkraftmaschine die Vorteile von direkter und indirekter Kraftstoffeinspritzung zu vereinigen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum mündende Kraflstoffeinspritzvorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist. Dabei ist vorgesehen, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraftstoffeinspritzung und im 2 AT 002 489 Ul

Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Die Brennkraftmaschine wird dabei nur im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich als direkt einspritzende Brennkraftmaschine betrieben. Die NOx-Emission ist im Leerlauf gering, und daher muß kein Denox-Katalysator verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, daß die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch oder fett betrieben wird. Dadurch lassen sich Zyklusverbräuche, wie bei einem direkt einspritzenden Motor erzielen, ohne die Nachteile der hohen Kosten und der Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.

Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann relativ klein und damit kostengünstig ausgelegt werden, da sie nur die sehr geringen Einspritzmengen im Leerlaufbetrieb verarbeiten muß und der Kraftstoffeinspritzdruck im Leerlauf deutlich niedriger ist als bei konventionellen direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen im gesamten Betriebsbereich. In Verbindung mit der bekanntermaßen kostengünstigen indirekten Einspritzung in das Einlaßsystem können die Vorteile von direkter und indirekter Einspritzung somit voll ausgenützt und die Nachteile und Schwächen jedes der beiden Systeme vermieden werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mündung der zweiten Kraftstoffeinspritzung seitlich in einer dachförmigen Brennraumdeckfläche angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Kraftstoffeinspritzung in Richtung der Zündeinrichtung, wobei die Lage und Ausrichtung der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung hinsichtlich des geschichteten Betriebes im Leerlauf optimiert werden können. In einer sehr platzsparenden Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, daß die zweite Einspritzvorrichtung - in Richtung der Motorlängsachse gesehen - auf der der Zylinderkopfdichtebene zugewandten Seite des zumindest einen Einlaßkanales angeordnet ist.

Um während des Betriebes mit indirekter Einspritzung einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch zu erreichen, ist vorgesehen, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich (Direkteinspritzung) und im Teillastbereich (Saugrohreinspritzung) eingeschaltet wird. Durch die Direkteinspritzung im Leerlaufbetrieb ist es - zum Unterschied zu herkömmlichen Saugrohreinspritzsystemen - möglich, auch im Leerlauf Abgasrückfuhrung zu verwenden, was sich weiter vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Durch die Abgasrückführung lassen sich ab dem unteren Teillastbereich Verbrauche erzielen, welche mit direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen durchaus vergleichbar sind. Dies ist insbesondere bei saugsynchroner Einspritzung und bei Brennkraftmaschinen mit hoher Abgasrückführtoleranz möglich. Dies sind Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlaßkanälen, von denen einer als Neutralkanal und einer als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise eine Abschalteinrichtung vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung zwischen dem Neutralkanal und dem Tangentialkanal angeordnet ist, und die Einspritzung im Bereich einer Öffnung zwischen dem Neutral- und dem Tangentialkanal in beide Einlaßkanäle erfolgt. 3 AT 002 489 Ul

Um eine weitere Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches im Leerlaufbereich zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffeinspritzung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt. Dabei wird nur in einen bzw. in eine Gruppe von Zylindern eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingebaut. Im Leerlaufbetrieb werden nur Zylinder gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung einmündet. Der oder die anderen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch erhöht sich für die gefeuerten Zylinder der indizierte Mitteldruck, der spezifische Kraftstoffverbrauch sinkt. Zusätzlich können die Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen eingespart werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Zylinder und Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Zylinderreihe.

In einem Zylinder 1 ist ein hin und her gehender Kolben 2 angeordnet. Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 beschreibt zusammen mit der durch den Zylinderkopf gebildeten dachförmigen Brennraumdecke 5 einen Brennraum 6, in welchen zwei Einlaßkanäle 7, 8 und zwei Auslaßkanäle 9 einmünden. Der Einlaßkanal 7 ist dabei als Neutralkanal und der Einlaßkanal 8 als Tangentialkanal ausgebildet. Unter Neutralkanal ist dabei ein Kanal zu verstehen, der im Brennraum weder eine Drall- noch eine Tumblebewegung induziert. Die Strömung des Neutralkanales ist in Fig. 2 mit Pfeil 21 angedeutet. Der Tangentialkanal hingegen erzeugt eine Drallströmung 22 um die Zylinderachse la. Die Mittelachse 8a des Tangentialkanales 8 schließt dabei mit der Zylinderachse la einen größeren Winkel 8b ein, als die Mittelachse 7a des Neutralkanales. Der diesbezügliche Winkel zwischen der Mittelachse 7a und der Zylinderachse la ist mit 7b bezeichnet.

Im Bereich der Einmündung in den Brennraum 6 schließt die Mittellinie 7a des als Neutralkanal ausgebildeten Einlaßkanales 7 mit einer Verbindungslinie zwischen Zylindermitte und Ventilmitte einen Winkel 7c ein, der kleiner ist, als ein entsprechender Winkel 8c zwischen der Mittellinie 8a des als Tangentialkanal ausgebildeten Einlaßkanales 8 und einer Verbindungslinie zwischen der Zylindermitte und der entsprechenden Ventilmitte.

Im Einlaßkanal 7 ist ein Absperrorgan 10 angeordnet, welches vorzugsweise definierte Leckageöffnungen 10a aufweist, durch welche im geschlossenen Zustand ein genau definierter Leckagevolumenstrom möglich ist.

Mit 11 sind Einlaßventile, mit 12 Auslaßventile bezeichnet.

Im Bereich der Zylinderachse la ist eine Zündeinrichtung 13 im Bereich des Giebels der dachförmigen Brennraumdecke 5 positioniert.

Der Einlaßkanal 7 und der Einlaßkanal 8 sind über eine Öffnung 14 miteinander verbunden. Im Bereich der Öffnung 14 ist zwischen dem Einlaßkanal 7 und dem Einlaßkanal 8 eine erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen, welche in dem Ausführungsbeispiel im Bereich der Motorquerebene 16 angeordnet ist und Kraftstoff 17 in jeden der beiden Einlaßkanäle 7, 8 4 AT 002 489 Ul einspritzt. Auf der der Zylinderkopfdichtebene 18 zugewandten Seite der beiden Einlaßkanäle 7, 8, also zwischen Einlaßkanälen 7, 8 und dem Zylinderblock, ist eine zweite KraftstofFeinspritzeinrichtung 19 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 6 vorgesehen, Die Mündung 19a der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 ist dabei seitlich am Rand des Brennraumes 6 angeordnet, wodurch der Kraftstoffstrahl 20 etwa radial im Bereich der Zylindermitte gerichtet ist.

Die Brennkraftmaschine weist weiters ein Abgasrückführsystem 21 auf, um Abgas in bestimmten Motorbetriebsbereichen aus dem Auslaßsystem 22 in das Einlaßsystem 23 zurückzuführen. Das Abgasrückfuhrsystem weist dabei mindestens eine Abgasrückführleitung 24 auf, welche direkt von einem Auslaßkanal 9 ausgehen kann. In der Abgasrückführleitung 24 ist ein Steuerorgan 25 angeordnet, mit welchem die Abgasrückführung aktivierbar bzw. deaktivierbar ist, und mündet in einen Abgasrückführsammler 26. Vom vorteilhafterweise klein-volumig ausgeführten Abgasrückführsammler 26 zweigen Abgasverteilerleitungen 27 ab und münden jeweils in einen Einlaßkanal 8 jedes Zylinders 1, wobei vor dem Eintritt in den Einlaßkanal 8 eine Drossel 28 mit definiertem Strömungsquerschnitt angeordnet sein kann.

Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 kann kleiner dimensioniert sein, als die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15, da sie nur im Bereich des Leerlaufes der Brennkraftmaschine aktiviert wird. Während dem Leerlaufbetrieb ist die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 deaktiviert.

Außerhalb des Leerlaufbereiches, also im Teillast- und Vollastbereich, wird dagegen die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 aktiviert und die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 ausgeschaltet. Es erfolgt somit nur mehr indirekte Kraftstoffeinspritzung in die Einlaßkanäle 7,8.

Im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich wird somit der Motor durch die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 geschichtet und mager (λ > 1), im übrigen Betriebsbereich dagegen durch die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 mit einem stöchiometrischen Verhältnis von λ = 1 oder fett (λ < 1) mit hoher Abgasrückführung betrieben. Dadurch lassen sich Zyklus-verbräuche, wie bei einer konventionellen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine erzielen, ohne deren Nachteile, wie hohe Herstellkosten und aufwendige Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der nur bei einem Teil der Zylinder 1 eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen ist. Im Leerlaufbetrieb werden nur Zylinder 1 gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 15 einmündet. Die übrigen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch läßt sich eine weitere Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches im Leerlaufbereich erzielen. Außerdem können Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 15 eingespart werden. 5

Claims (9)

1. AT 002 489 Ul ANSPRÜCHE 1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest einem Einlaßkanal (7, 8) pro Zylinder (1), in welchen eine erste Einspritzvorrichtug (15) zur indirekten Kraftstoffeinspritzung einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum (6) mündende Kraftstoffeinspritzvorrichtung (18) zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (19a) der zweiten Kraftstoffeinspritzung (19) seitlich in einer dachförmigen Brennraumdeckfläche (5) angeordnet ist.
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) für kleinere Kraftstoffmengen ausgelegt ist als die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung (15).
4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einspritzvorrichtung (19) - in Richtung der Motorlängsachse gesehen - auf der der Zylinderkopfdichtebene (18) zugewandten Seite des zumindest einen Einlaßkanales (7, 8) angeordnet ist.
5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) nur bei einem Zylinder bzw. einer Gruppe von Zylindern vorgesehen ist.
6. 6. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraftstoffeinspritzung und im Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffeinspritzung erfolgt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch oder fett betrieben wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, mit Rückführung des Abgases in den Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich und im Teillastbereich eingeschaltet wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffeinspritzung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt. 6