AT403615B

AT403615B - Luftverdichtende, ventilgesteuerte brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT403615B
Application number: AT0054691A
Authority: AT
Inventors: Franz Dr Chmela
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1998-04-27
Also published as: US5170758A; ATA54691A; JPH0579331A

Description

AT 403 615 B

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine für selbstzündungsunwillige Kraftstoffe mit Vorrichtungen, um der einströmenden Verbrennungsluft eine Drallbewegung zu erteilen, mit einer zwischen Brennraummitte und Brennraumwand angeordneten Einspritzdüse mit mehreren Spritzöffnungen zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in einen im Kolben vorgesehenen rotationskörperförmig ausgebildeten Brennraum, wobei die Strahlrichtungen der Einspritzstrahlen quer zur Drallströmung verlaufen, und mit einer Zündkerze.

Die Kernprobleme bei der Entwicklung eines derartigen Verbrennungsverfahrens sind erfahrungsgemäß einerseits die Sicherstellung der Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches unter allen möglichen Umge-bungs- und Betriebsbedingungen, sei es Kaltstart, unterer Leerlauf oder Nennleistung, sowie andererseits Kosten, Betriebssicherheit und Standzeit der verwendeten Zündkerzen. Darüberhinaus stellt sich bei jeder Brennkraftmaschine die Aufgabe, das Emissionsniveau möglichst niedrig zu halten und die für die Verbrennung zur Verfügung stehende Luft möglichst vollständig auszunutzen.

Aus der US 3 1 25 079 A ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Einspritzdüse in der Nähe der Brennraumachse angeordnet ist. Dies ist bei einer solchen Mehrstoff-Brennkraftmaschine sinnvoll, da bei Betrieb des Motors mit Diesel-Kraftstoff eine zentrale Düsenanordnung wegen der gleichlangen Strahllängen bis zur Brennraumwand Vorteile hinsichtlich der Rußemission hat. Beim Betrieb mit Alkohol, Benzin oder Flüssiggas spielt jedoch die Rußemission aufgrund der Kraftstoffeigenschaften eine untergeordnete Rolle.

Auch aus der DE 32 45 780 C1 ist ein Verbrennungsverfahren bekannt, das den genannten Anforderungen bereits zum Teil genügt. Dennoch sind Kerzenstandzeit, Gemischbildung, Luftausnutzung und Emissionsniveau verbesserungsbedürftig.

Bei dem erwähnten Verbrennungsverfahren wird der Kraftstoff mit nur einem Einspritzstrahl an der Wand eines rotationskörperförmigen Kolbenbrennraumes angelagert, wo dieser verdampft und durch eine während der Einlaßphase erzeugte starke Drallströmung, der von einer Zündkerze im Brennraumwandnähe eingeleiteten Verbrennung zugeführt wird.

Bei beiden oben beschriebenen, bekannten Ausführungsvarianten befindet sich die Zündkerze in einem Bereich mit einer intensiven Strömung, die aus dem Einlaßdrall und aus der Quetschströmung bei Annäherung des Kolbenbodens an den Zylinderkopfboden resultiert.

Durch die starke Strömung wird der Funke nach dem Überschlag sofort wieder ausgeblasen und mehrmals neu gezündet, bis das entflammte Ladungsvolumen groß genug ist, um weiterzubrennen. Hiefür ist ein entsprechend hoher Aufwand an elektrischer Energie erforderlich. Darüberhinaus ist es notwendig, den Elektrodenabstand möglichst klein zu halten, um eine ausreichende Gesamtentladungsdauer zu gewährleisten. Der maximal zulässige Elektrodenabstand für aussetzerfreien Lauf liegt dort bei etwa 0,4 mm. Bei der Kerzenfertigung muß zur Maximierung der Standzeit ein Elektrodenabstand von 0,1 mm eingestellt werden, was die Fertigung naturgemäß verteuert und Zweifel an der Serientauglichkeit dieser Lösung rechtfertigt.

Ein weiterer Nachteil bei dem erwähnten Verbrennungsverfahren ist die Kraftstoffeinspritzung mit nur einem Strahl, der von der am Brennraumrand angeordneten Düse ausgehend an der gegenüberliegenden Brennraumwand in Kerzennähe auftrifft und dort einen Wandfilm bildet, der die Zündkerze mit zündfähigem Gemisch versorgt. Dieser Wandfilm nimmt nur einen Teil der gesamten Wandfläche ein, ist dementsprechend dick und benötigt relativ lange, um vollständig zu verdampfen, was zu verschleppter Verbrennung und erhöhter Emission von unverbranntem Kraftstoff führen kann.

Bei einer in der DE 26 11 624 C2 beschriebenen Variante des erwähnten Verbrennungsverfahrens ist die Zündkerze zwar nicht gegenüber sondern neben der Einspritzdüse, aber ebenfalls in Brennraumwandnähe angeordnet.

Weiters ist aus der US 2 882 673 A eine Brennkraftmaschine mit einer mittig im Brennraum angeordneten Zündkerze sowie eine zwischen Brennraummitte und Brennraumwand angeordneten Einspritzdüse bekannt, bei der eine möglichst den gesamten Kraftstoff enthaltende Gemischwolke im Bereich der Zylindermitte angestrebt wird. Die Kraftstoffeinbringung erfolgt dabei durch einen einzigen auf die Zylindermitte gerichteten Strahl entlang der Achse der Einspritzdüse. In der Nähe der Zylinderwand soll sich dabei eine kraftstoffarme Zone ausbilden.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine sichere Zündung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zündkerze in bezug auf den Brennraum, wie an sich bekannt, etwa mittig angeordnet ist, und daß die Achsen der Einspritzstrahlen in einem räumlichen Abstand von der Spitze der Zündkerze angeordnet sind, wobei zumindest eine der Achsen der Einspritzstrahlen auf den Bereich um die Zündkerze gerichtet ist, wobei die Einspritzstrahlen auf der Brennraumwand auftreffen und der Kraftstoff als Film auf die Brennraumwand aufgetragen wird. Dadurch ergeben sich folgende 2

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Vorteile: - Die Zündkerze arbeitet in einer wesentlichen ruhigeren Strömung, braucht daher weniger Zündenergie, was die Abbrandgeschwindigkeit verkleinert. Gleichzeitig kann der Elektrodenabstand wegen der geringeren notwendigen Gesamtfunkendauer auf einen produktionstechnisch beherrschbaren Wert von 0,5 bis 1,0 mm vergrößert werden. Der kleinere Abstand zwischen den Durchstoßpunkten der Achsen von Einspritzdüse und Zündkerze ermöglicht eine Verringerung des Abstandes der Funkenstrecke vom Zylinderkopfboden, sodaß anstelle der bisher benötigten Spezialzündkerzen mit 15 mm langen geraden Masseelektroden nunmehr in großen Stückzahlen gefertigte Zündkerzentypen mit einfachen Hakenelektroden Verwendung finden können. - Die vorgesehene Mehrlochdüse bewirkt in an sich bekannter Weise durch die Vergrößerung der Zahl der Auftreffpunkte und der damit verbundenen Verringerung der pro Strahl angelagerten Kraftstoffmenge eine Verkleinerung der Wandfilmdicke und damit eine Verbesserung der Gemischbildung mit positiven Auswirkungen auf die Emission unverbrannter oder teilverbrannter Kraftstoffbestandteile im Abgas. Durch die quer zur Drallströmung verlaufende Strahlrichtung und durch den von einer Mehrzahl von Strahlen durchlaufenden Quetschwirbel wird der Zündverzug verkürzt, was zu einer Spätverschiebung des Einspritzbeginns mit daraus folgender NOx-Reduktion genutzt werden kann.

Mit der Verlagerung der Zündkerze von der Brennraumwand zur Brennraummitte ist natürlich eine Änderung der Verfahrensprinzipien insofern erforderlich, als das zündfähige Gemisch an der Zündkerze nun nicht mehr, wie in der genannten DE 32 45 780 C1 beschrieben, aus dem wandverteilten Kraftstoff gebildet werden kann sondern direkt aus einem passend angeordneten Einspritzstrahl durch Verwehung des Strahlmantels erzeugt werden muß.

Das Prinzip der Wandanlagerung bleibt dabei für den auf die Entflammung folgenden Hauptteil der Verbrennung als retardierendes Moment für die Gemischbildung zur Ermöglichung eines dieselmotorisch hohen und daher wirkungsgradgünstigen Verdichtungsverhältnisses erhalten. Die Durchführbarkeit der beschriebenen initialen Gemischbildung für die Versorgung der Zündkerze aus einem Einspritzstrahl wird nahegelegt durch Betriebserfahrungen mit dem in der bereits erwähnten DE 26 11 624 C2 beschriebenen Verbrennungsverfahren. Dort mußte nämlich im Teillastbetrieb bei bestimmten Strahllagen und bei Verwendung einer üblichen Einspritzpumpe mit über der Einspritzmenge konstantem Spritzbeginn, also veränderlichem Einspritzende, der aus Gründen optimalen Wirkungsgrades immer gegen Ende der Einspritzphase liegende Zündzeitpunkt mit abnehmender Last parallel zum Einspritzende nach früh verschoben werden, um Zündaussetzer zu vermeiden. Die Existenz eines zündfähigen Gemisches an der Stelle des Funkenüberschlags war also auch dort an die Nähe des Einspritzstrahls gebunden.

Bei der Festlegung des Kolbenraums für eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine soll in an sich bekannter Weise von der Möglichkeit Gebrauch gemacht werden, die Luftausnutzung während der Verbrennung dadurch zu optimieren, daß die im Brennraum in der Nähe des oberen Totpunktes eingeschlossene Luft aus dem bodennahen zentralen Bereich der Brennraummulde dadurch verdrängt wird, daß dort eine kegelförmige Bodenerhebung angeordnet wird.

Der Notwendigkeit, die Zündkerze in der Nähe der Brennraummitte anzuordnen, kann am einfachsten bei einem Zylinderkopf mit vier Ventilen entsprochen werden. Dabei wird die Zündkerze in deren Mitte untergebracht, wo sonst üblicherweise die Einspritzdüse angeordnet ist.

Die sich daraus ergebende Lage der Einspritzdüse selbst ist in diesem Fall notwendigerweise exzentrisch zur Brennraummitte, was aber bei den genannten fremdzuzündenden Kraftstoffen mit gegenüber Dieselkraftstoff besseren Verdampfungseigenschaften und geringerer Neigung zur Rußbildung ebenso wie eine eventuelle moderate Brennraumversetzung relativ zur Zylinderachse toleriert werden kann.

Bei Zylinderköpfen mit zwei Ventilen ist wegen der größeren gegenseitigen Entfernung der Durchstoßpunkte der Düsen- bzw. Kerzenachse ein erhöhter Aufwand für die Optimierung der Lage und Ausbildung des kerzennahen Einspritzstrahls zu treiben. Eine Erleichterung kann hier durch eine vorher erwähnte Zündkerze mit längeren Masseelektroden erreicht werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich niedrigerer Zündenergie und größerem Elektrodenabstand bleiben jedoch erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Fig. 1 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 2 schematisch eine Draufsicht und die Fig. 3 schematisch eine Ausführungsvariante in einer Draufsicht.

Im Zylinder 1 ist ein Kolben 2 axial beweglich angeordnet. Im Kolben 2, dessen Durchmesser mit D bezeichnet ist, ist ein rotationskörperförmiger Brennraum 3 vorgesehen, dessen Achse 3a der Zylinderachse 2a benachbart angeordnet ist. Im Zylinderkopf 4 ist eine Einspritzdüse 5 vorgesehen, die hier als Beispiel vier Spritzöffnungen aufweist. Zentral im Brennraum ist eine Zündkerze 7 angeordnet. Die vier Spritzlochachsen sind mit 6a, 6b einerseits und 6d, 6c andererseites der Zündkerzenspitze 7a bezeichnet. 3

Claims

AT 403 615 B Der räumlich gemeinte Abstand d der Spritzlochachsen 6b und 6c von der Zündkerzenspitze 7a beträgt etwa 1 bis 10 mm. Weiters sind in bekannter Weise zwei Einlaßventile 8 sowie zwei Auslaßventile 9 vorgesehen. Der höchste Punkt 10a der zentralen Erhebung 10 im Brennraum 3 liegt der Spitze 7a der Zündkerze 7 gegenüber. Weiters sind in bekannter Weise nicht dargestellte Vorrichtungen zur Erzeugung eines Dralls, wie etwa entsprechend geformte Einlaßkanäle, vorgesehen. Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 ist die Zündkerze 7 möglichst nahe an den beiden Ventilen 8 und 9 angeordnet. Der zentral zur Zündkerze angeordnete Brennraum 3 liegt dabei außermittig zur Kolbenachse. Patentansprüche 1. Luftverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine für selbstzündungsunwillige Kraftstoffe mit Vorrichtungen, um der einströmenden Verbrennungsluft eine Drallbewegung zu erteilen, mit einer zwischen Brennraummitte und Brennraumwand angeordneten Einspritzdüse mit mehreren Spritzöffnungen zur direkten Einspritzung des Kraftstoffes in einen im Kolben vorgesehenen rotationskörperförmig ausgebildeten Brennraum, wobei die Strahlrichtungen der Einspritzstrahlen quer zur Drallströmung verlaufen, und mit einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (7) in bezug auf den Brennraum (3), wie an sich bekannt, etwa mittig angeordnet ist, und daß die Achsen (6a, 6b, 6c, 6d) der Einspritzstrahlen in einem räumlichen Abstand (d) von der Spitze (7a) der Zündkerze angeordnet sind, wobei zumindest eine der Achsen (6a, 6b, 6c, 6d) der Einspritzstrahlen auf den Bereich um die Zündkerze (7) gerichtet ist, wobei die Einspritzstrahlen auf der Brennraumwand (3) auftreffen und der Kraftstoff als Film auf die Brennraumwand (3) aufgetragen wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit einem eine zentrale Erhebung aufweisenden Brennraum, dadurch gekennzeichnet daß die Zündkerze (7) dem obersten Punkt (10a) der Erhebung im oberen Totpunkt des Kolbens (2) im wesentlichen gegenüberliegt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der räumliche Abstand (d) der Achse (6a, 6b, 6c, 6d) mindestens eines Einspritzstrahies von der Spitze (7a) der Zündkerze (7) zwischen 1 und 10 mm beträgt.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei, vorzugsweise vier, Ventile (8, 9) pro Zylinder vorgesehen sind.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß zwei Ventile (8, 9) pro Zylinder vorgesehen sind, und daß die Achse des Brennraums (3) in der Nähe der möglichst zentral zur Kolbenachse angeordneten Zündkerzenelektroden liegt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 4