DD265443A1

DD265443A1 - Fremdgezuendete, luftverdichtende brennkraftmaschine

Info

Publication number: DD265443A1
Application number: DD87307175A
Authority: DD
Inventors: Franz Chmola; Walter Herzog; Richard Meier
Original assignee: Man Nutzfahrzeuge Gmbh
Priority date: 1986-09-25
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1989-03-01
Also published as: US4771748A; GB2197025B; DE3632579C2; SE8703208L; ATA228487A; SU1739860A3; SE463629B; ZA877187B; IT8721553A0; CA1326186C; GB8722493D0; DE3632579A1; SE8703208D0; FR2604479B1; BR8704833A; GB2197025A; FR2604479A1; JP2541581B2; AT400472B; IT1222423B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezuendete, luftverdichtende Brennkraftmaschine, welche im Kolben einen rotationskoerperfoermigen Brennraum mit eingeschnuerter Ueberstroemoeffnung aufweist, bei der die Einspritzduese im Zylinderkopf in der Naehe des Brennraumrandes liegt und die der Einspritzduese gegenueberliegende Zuendvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht und bei der die Gemischbildung ueberwiegend durch Kraftstoffwandauftragung erfolgt. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine sollen die beim Uebergang auf einen aufgeladenen Motor gestiegenen Anforderungen an die Gemischbildung in allen Betriebsbereichen zuverlaessig erfuellt werden, wodurch sich auch eine weitere Verbesserung der Zuendungsstabilitaet ergeben soll. Dies wird im wesentlichen durch die spezielle Form und Bemessung des Brennraumes erreicht. Figur

Description

Beim Stand der Technik (DE-PS 3245780) galten diese Überlegungen damals für einen Saugmotor. Beim Übergang vom Saugmotor auf einen leistungsstarkeren aufgeladenen Motor erhöht sich der Schwierigkeitsgrad des vorher beschriebenen Optlmierungsprozessee, da sich hier sowohl die eingespritzte Kraftstoffmenge als auch die durchgesetzte Luftmenge in stärkerem Maße ändern als beim Saugmotor (zwischen unterem Leerlauf und Nennleistung liegen größere Einspritzmengen· ' und Luftgeschwindigkeitsspannen vor). Dabei zeigte es sich, daß dabei der ^corm des Kolbenbrennraums besonders große Bedeutung zukommt.

In der DE-PS 3245780 wurde der Übergang von einer kugelähnlichen Brennraumform zu einer flacheren Form beschrieben. Die Gründe dafür waren:

a) Abbau der Quetschströmung zur Verbesserung der Zündungsstabilität und der thermischen Entlastung* dos Brennraumrandes.

b) Verwendung von möglichst kurzen Elektroden wegen sonst vorhandener Bruch- und Verformungsgefahr und wegen Verringerung des thermisch bedingten Abbrandes.

Die Brennraumform bzw. die Strahllage gemäß dem Stand der Technik ergibt bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bei hoher Drehzahl und kleiner Motorbelastung eine zu magere Gemischqualität. Eine Möglichkeit, hier Abhilfe zu schaffen, wäre, den Strahlauftreffpunkt näher an die Zündkerze zu bringen. Dios würde zwar die Teillastschwierigkeiten beheben, aber dafür die wegen des größeren Kraftstoffangebots sowieso schon größeren Schwierigkeiten im höheren Lastbereich (fettes Gemjsch) weiter erhöhen. Besser erscheint es deshalb, die Teillastschwierigkeiten dadurch zu beheben, daß bei ungeänderter Strahllage die Krümmung der Brennraumwand erhöht und das Gemisch in Kerzonnähe auf diese Weise angefettet wird. Die hierzu erforderliche sehr starke Krümmung der Brennraumwand würde zu einem gemischbildungs- und verbrennungstechnisch ungünstig großen und flachen Brennraum führen (Bronnraumvolumen soll ja gleich bleiben). Der dabei vorliegende große Bronnraumdurchmesser würde die notwendige Drallintensität zu stark herabsetzen. Außerdem eryäbe sich damit bei höherer Motorbelastung oine zu große Filmdicke, die erfahrungsgemäß zu Nachteilen durch verschleppte Verbrennung führt (z · "ettes Gemisch im höheren Lastbereich).

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile bekannter Lösungen weitgehend zu vermelden. Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine um eingangs beschriebenen Art die beim Übergang auf einen aufgeladenen Motor gestiegenen Anforderungen an die Gemischbildung in allen Betriebsberaichen zu erfüllen, d. h. weder ein zu mageres noch ein zu fettes Luft-Kraftstoffgemisch entstehen zu lassen, wobei die vorstehend erwähnen Vorteile a und b weiter verbessert werden sollen und stets eine sichere Zündung und optimale Verbrennung des aufbereiteten Gemisches erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine dadurch gelöst, daß eine dritte Krümmungslinie mit einem Radius R] an die Krümmungslinie mit dem Radius Rj anschließt und den Boden des Brennraumes bildet, daß der größte Brennraumdurchmesser in einer Tiefe t_D von 0,42 bis 0,70T_B liegt und bestimmte Verhältnisse zwischen den Radien R₍, R? und R₃ und der Brennraumtiefe vorgesehen sind, derart, daß der Radius R, eine Länge von 0,35 bis 1,20T₈, der Radius R₂ eine Länge von 0,10 bis 0,40T_B und der Radius R₁ eine Länge von 3,2 bis 4,0Tb aufweist.

Gegenüber dem Stand der Technik (dort liegt eine Brennraumform aus zwei Kreisbögen und einem geraden Bodenstück vor), ist also jetzt eine korbähnliche Brennraumform aus insgesamt drei ineinander übergehenden Krümmungsradien entstanden. Eine zu starke Krümmung des Bodenbereichs bzw. eine zu starke Wandkrümmung zum Brennraumboden hin wird dabei durch den Radius R] der zweiten Krümmungelinie verhindert.

Damit ergibt sich zwar eine insgesamt stärkere Krümmung des für die Gemischbildung wesentlichen Brennraumwandbereichs (Brennraumäquatorbereichs), die vorher erwähnten Nachteile einer zu starken Krümmung der Brennraumwünd bzw. des Brennraumbodens (sofern R₃ sofort in Ri übergeht) treten aber nicht auf. Es ist nämlich durch diese geringere Wandkrümmung unterhalb des Brennraumäquators eine bessere Auswelchmöglichkeit für den Kraftstoff geschaffen worden, so daß bei Vollast ein zu fettes Gemisch an den Elektroden nicht auftreten kann. Auch ergeben sich durch die Kreisbogenform des Brennraumbodens (Vertiefungl) keinerlei Störungen der Luftströme, d. h„ es liegen nach wie vor gleiche Drallverhältnisse vor. Auch das Brennraumvolumen bleibt erhalten.

Es hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Brennraumform eine derartige Verbesserung des Gemischbildungsablaufs eintritt, daß es sogar möglich wird, die Zündvorrichtung nicht nur senkrecht zum Kolbenboden (also parallel zur Zylinderachse), sondern auch nach außen geneigt einzubauen. Durch einen Schrägeinbau der Zündkerze vermeidet man die Durchführung der Kerzeneinbauöffnung durch die Ventilhaube, wodurch sich eine bessere Funktionalität der Zylinderkopfkonstruktion ergibt. Dagegen führt der Schrägeinbau zu einer größeren Ausnehmung in der oberen Brennraumwand und in dor Folge zu einer Beeinträchtigung der Verbrennungsetabllität. Durch die verbesserte Gemischverteilung wird die ungünstige Wirkung der durch die Kerzenschräglage bedingten Kolbenausnehmung auf das Strömungsgeschehen in Kerzennähe überkompensiert. Durch die erzielte sehr große Stabilität der Zündung bzw. der Verbrennung wird auch die Notwendigkeit verringert, die Zündvorrichtung beispielsweise mit Stabelektroden auszustatten, die in einer Länge von mehreren Millimetern zueinander parallel sind, um don elektrischen Funken Gelegenheit zu geben, den Zyklusschwankungen hinsichtlich der räumllchon Gemischverteilung zu folgen. Das heißt, daß damit eine größere Freiheit bei der Auswahl der Elektrodenform gegeben ist. Da die Standzeit (Langzoithaltbarkeit) der Zündquelle, insbesondere bei hochverdichteten fremdgezündeten Motoren ein spezifisches Problem darstellt, wird die oben erwähnte Tatsache dazu benutzt, daß Zündquellen zur Anwendung kommen, bei denen geringere Temperaturen an den Elektrodenflächen und damit bedingte geringere Abbrandgeschwindigkeiten entstehen. Dies wird beispielsweise durch eine Zündkerze ohne vorstehende Elektroden ei reicht. Zwar ist bei derartigen Kerzen die Versorgung der Elektroden mit zündfähigem Gemisch schwieriger als bei Kerzen mit vorstehenden Haken- oder Stabelektroden, da keine

durch die Ladungsbewegung im Brennraum induzierte Strömung zwischen den Elektroden auftritt, doch er/veist sich hier gerade die Schräganordnung der Kerze als vorteilhaft, weil dadurch die Stirnflache mit den Elektroden dem Kraftstoffstrahl zugewandt ist, und die Zündung hier durch die relativ kleine Menge direkt luftverteiltem Kraftstoff erreicht wird.

Ausffihrungsb»lsplele

* Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch

den oberen Teil eines Kolbens bzw. Zylinderkopfes.

In der Figur ist im Boden 1 a eines Kolbens 1 mittig oder nahezu mittig ein Brennraum 3 mit einer eingeschnürton Brennraumöffnung 3 a angeordnet. Der flüssige Kraftstoff wird aus einer nicht näher dargestellten Einspritzdüse 8, welche außermittig im Zylinderkopf 2 angeordnet ist, zu einem im Hinblick auf die Art der Betriebsbedingungen und die Art des Kraftstoffes (Siedelage und Zündwilligkeit) geeigneten Zeitpunkt mit nur einem Strahl 9 in den Brennraum 3 in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft eingespritzt. Der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahls auf der Brennraumwand 4 ist mit 9 a bezeichnet und liegt im Bereich des größten Brennraumdurchmessers D_e (in OT-S'.ellung des Kolbens). Der Strahlabspritzpunkt 8a der Einspritzdüse 8 liegt dabei in der Nähe das Brennraumöffnungerandes. Dem Strahlabspritzpunkt 8a gegenüber ist eine in dem Kolbenboden 1 a bzw. der Brennraumwand 4 eingearbeitete Ausnehmung 10 vorgesehen, in die in oberer Totpunktstellung des Kolbens 1 eine Zündvorrichtung 11, welche ebenfalls im Zylinderkopf 2 angeordnet ist, eintaucht. Die Zündvorrichtung besteht beispielsweise—wie in der Figur dargestellt—aus mehreren Stabelektroden; es kann aber auch eine Zündvorrichtung mit Hakenelektroden verwendet werden. Wie in der Figur dargestellt, verläuft die Zündvorrichtung 11 vom Brennraum 3 schräg nach außen (bezogen auf OT-Stellung des Kolbens). Dadurch wird die Durchführung der Kerzeneinbauötfnung durch die Zylinderkopf-Ventilhaube (was bei einer senkrecht zum Kolbenboden 1 a angeordneten Zündvorrichtung notwendig ist) vermieden. Die Schräganordnung der Zündvorrichtung 11 wird durch die erreichte Gemischbildungsvorbesserung ermöglicht.

Die Seitenwandung bzw. der Boden des Brennnumes 3 wird aus drei ineinander übergehenden gekrümmten Linien 5; 6; 7 gebildet, wobei sich Jie erste Krümmungslinie 5 mit dem Krümmungsradius B₁ von der eingeschnürten Brennraumöffnung 3 a bis zum größten Brennraumdurchmesser D_B und die zweite Krümmungsiinie β mit dem Krümmungsradius R₂ bis zum Brennraumboden 7 erstreckt bzw. in diesen übergeht. Der Brennraumboden selbst stellt dabei die dritte Krümmungsiinie 7 mit dem Krümmungsradius R₃ dar. Der größte Brennraumdurchmesser De, in dessen Horizontalebene auch die Mittelpunkte der Krümmungslinien 5; 6 liegen, beträgt dabei das 0,5· bis 0,7fache des Kolbendurchmessers Dk und befindet sich vom Kolbenboden 1 a aus, in einer Tiefe to, die dem 0,42- bis 0,70fachen der Brennraumtiefe Tb entspricht. De: Krümmungsradius Ri der Brennraumseitenwandung 4 weist dabei eine Länge von 0,35 bis 1,20T_B, der Krümmungsradius R₂ eine Länge von 0,10 bis 0,40T_B auf Oer Krümmungsradius R₃ der Bodenkrümmungslinie 7 (Mittelpunkt liegt auf der Brennraumlängsachse x) liegt zwischen 3,2 bis 4,0Tb. Schließlich liegt der Durchmesser d_H der eingeschnürten Brennraumöffnung 3a zwischen 0,85 und 0,95Db, wobei die Wandhöhe t_H dieser öffnung zwischen 0,1 und 0,15Tg beträgt.

Die Kraftstoffstrahl-Lage bzw. die Zuordnung des Kraftstoffstrahl-Auftreffpunktes 9a auf der ßrennraumwand zur Zündvorrichtung 11 stimmen mit der gattungsgemäßen Brennkraftmaschine überein.

Abschließend ist noch zu erwähnen, daß — bedingt durch die mittels der erfinderischen Merkmale erreichten Zündungs- bzw. Verbrennungsverbesserungen — eine Zündvorrichtung ohno vorstehende Stab- oder Hakenelektroden zur Benutzung kommen kann. Durch eine derartige Zündvorrichtung wird die Abbrandgeschwindigkeit der Elektroden weiter verringert.

Claims

1. Fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes durch einen Strahl zu einem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen totationskörperförmigen Brennraumes, bei der der einströmenden Luft durch bekannte Mittel eine solche Drehbewegung in Richtung des eingespritzten Kraftstoffstrahles erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die der Einspritzdüse gegenüberliegende Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, bei der die Seitenwandung des Brennraumes—im Querschnitt gesehen — aus zwei ineinander übergehenden gekrümmten Linien mit Krümmungsradius gebildet ist, wobei sich die erste Krümmungslinie mit dem ersten Radius von einer eingeschnürten Brennraumöffnung bis zum größten Brennraumdurchmesser und die zweite Krümmungslinie mit dem zweiten Radius bis zum Brennraumboden erstreckt bzw. in diesen übergeht, bei der der größte Brennraumdurchmosser das 0,5- bis 0,7fache des Kolbendurchmessers beträgt und — vom Kolbenboden aus — sich in einer bestimmten Tiefe im Verhältnis zur Brennraumtiefe befindet, wobei das Verhältnis Brennraumöffnungsdurchmesserzu größtem Brennraumdurchmesser zwischen 0,85 und 0,95 und die Wandhöhe der Brennraumöffnung zwischen 0,1 und 0,15T_B liejt, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Krümmungslinie mit einem Radius (R₃) an die ' Krümmungslinie mit dem Radius (R₂) anschließt und den Boden (7) des Brennraumes (3) bildet, daß der größte Brennraumdurchmesser (D_B) in einer Tiefe (t_D) von 0,42 bis 0,70T_B liegt und bestimmt«" Verhältnisse zwischen den Radien R₁; R₂ und R₃ und der Brennraumtiefe (Tb) vorgesehen sind, derart, daß der Radius (R₁) eine Länge von 0,35 bis 1,20T_B, der Radius R₂ eine Länge von 0,10 bis 0,40T₈ und der Radius R₃ eine Länge von 3,2 bis 4,0T₀ aufweist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Brennraum (3) schräg nach außen verlaufende Zündvorrichtung (11) zur Anwendung kommt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (11) ohne vorstehende Stab- oder Haken-Elektroden Verwendung findet.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine.

Charakteristik des bekannton Standes der Technik

Aus der DE-PS 324S780 ist eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes durch einen Strahl zu einem Hauptteil auf die Wand des im Kolben vorgesehenen rotationskörperförmigen Brennraumes bekannt, bei der der einströmenden Luft durch bekannte Mittel eine solche Drehbewegung in Richtung des eingespritzten Kraftstoffstrahles erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die der Einspritzdüse gegenüberliegende Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, bei der die Seitenwandung des Brennraumes — im Querschnitt gesehen — aus zwei ineinander übergehenden gekrümmten Linien mit Krümmungsradius gebildet ist, wobei sich die erste Krümmungslinie mit dem ersten Radius von einer eingeschnürten Brennraumöffnung bis zum größten Brennraumdurchmesser und die zweite Krümmungslinie mit dem zweiten Radius bis zum Brennraumboden erstreckt bzw. In diesen übergeht, bei der der größte Brennraumdurchmesser das 0,5- bis 0,7fache des Kol&endu'chmessers beträgt und — vom Kolbenboden aus — sich in einer bestimmten Tiefe im Verhältnis zur Brennraumtiefe befindet, wobei das Vnrhältniu Brennraumöffnungsdurchmesserzu größtem Brennraumdurchmesser zwischen 0,85 und 0,95 und die Wandhöhe der Brennraumöffnung zwischen 0,1 und 0,15Tb liegt.

Bei einer Brennkraftmaschine mit Schichtladung und Fremdzündung ist die Sicherstellung der Entflammung des Luft-Kraftstoffgemischs unter allen möglichen Betriebsbedingungen, sei es Kaltstart, Leerlai.f oder Nennleistung, eines der Hauptprobleme. Das bedeutet, daß die Gemischzusammensetzung in dem nur wonigo Kubikmillimeter großen Raum zwischen den Zündkerzenelektroden, den der Zündfunke bestreicht, während des Funkenüberschlags lange gen.:^ innerhalb der Zündgrenzen liegen muß. um eine für das Weiterbrennen der Zylinderladung ausreichend große Flamme zu erzeugen. Da sich die Luftgeschwindigkeit im Brennraum und die eingespritzte Kraftstoffmenge in weiten Grenzen ändern, ist dieses Problem nur durch sorgfältige Abstimmung einer ganzen Reihe von Parametern zu lösen, wie z. B. Form und gegenseitige Lage von Brennraum, Einspritzstrahl und Kerzenelektroden, weiter Intensität der Drallströmung sowie Phasenlage von Einspritz- und Zündvorgang. Dabei ist jeweils Rücksicht zu nehmen auf spezifischen Kraftstoffverbrauch, Abgasverhalten und Bauteilbelastung.