DE102012202080A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben, wobei ein Brennraum, der in einen Hubraum und einen Verdichtungsraum aufgeteilt ist von dem Kolben, dem Zylinder und einem von einem Zylinderkopf gebildeten Brennraumdach begrenzt ist, wobei ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum, wobei im Verdichtungsraum eine am Brennraumdach angeordnete, von einem Gehäuse gebildete Brennkammer vorgesehen ist, die über mindestens einen Durchbruch mit dem Brennraum Gas führend verbunden ist, wobei in der Brennkrammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, wobei der Kraftstoffinjektor zumindest eine erste und eine zweite Öffnung aufweist zur Einbringung des Kraftstoffes und der Kraftstoff durch die erste Öffnung in den Brennraum und durch die zweite Öffnung in die Brennkammer einbringbar ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird eine Pilotzündung ohne zweiten Kraftstoffinjektor realisiert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Zum technischen Umfeld der Erfindung wird beispielsweise auf eine Technologie des Automobilherstellers Honda hingewiesen. Honda hatte bereits 1974 eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine in Serie gebracht, mit der sog. CVCC-Technologie (Compound Vortex Controlled Combustion). Hierbei handelt es sich um einen sog. Schichtlademotor, mit einem modifizierten Zylinderkopf mit einem Hauptbrennraum in dem eine Vorkammer mit zusätzlichem kleinen Einlassventil angeordnet ist, das etwa synchron mit dem Haupteinlassventil betätigt wird. Zusätzlich wird für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein Vergaser mit einer sehr aufwendigen last- und drehzahlabhängigen Steuerung verwendet. Die Größe der im Hauptbrennraum angeordneten Vorkammer beträgt ca. 10% des gesamten Kompressionsraums. Beim Ansaugtakt wird die Vorkammer mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch versorgt, während der Hauptbrennraum mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch versorgt wird. Da während eines Ansaugvorgangs ein Mehrfaches des Vorkammervolumens an Frischluft angesaugt wird, kommt es zum Überströmen des kraftstoffreichen Kraftstoff/Luft-Gemisches durch Öffnungen aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum. Während des Kompressionstaktes wird dieses teilweise wieder in die Vorkammer zurückgeschoben. Hierdurch bilden sich zum Zündzeitpunkt Bereiche mit unterschiedlicher Kraftstoff/Luft-Gemischzusammensetzung (Schichtladung) aus: Ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Vorkammer und ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch im Hauptbrennraum. Das in der Vorkammer mittels einer Zündvorrichtung entzündete Kraftstoff/Luft-Gemisch strömt durch die Öffnungen in der Vorkammer in den Hauptbrennraum und entzündet dort das magere Kraftstoff/Luft-Gemisch. Es findet somit eine kontrollierte Verbrennung mit überstöchiometrischem Luftverhältnis unter weitgehender Vermeidung der für die Stickoxidbildung maßgeblich notwendigen Spitzentemperaturen statt.
• Weiter ist aus der SAE-Veröffentlichung JSAE 20119100, SAE 2011-01-2023, mit dem Titel „A single fuel pre-chamber jet ignition powertrain achieving high load, high efficiency and near Zero NOx emissions", von William P. Attard and Hugh Blaxill, MAHLE Powertrain, ein Vorkammer-Pilot-Zündsystem für Otto-Motoren bekannt. Hierbei wird durch eine Piloteinspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in eine Vorkammer (Pilotkammer.) ein fettes, unterstöchiometrisches Gemisch erzeugt, das durch eine in der Vorkammer angeordnete Zündkerze sicher gezündet werden kann. Das brennende Pilotgemisch strömt durch in der Vorkammerwand angebrachte Bohrungen in den Hauptbrennraum, generiert dabei hohe Turbulenz und entflammt das stark verdünnte Hauptgemisch (abgemagert und/oder hoher Restgasgehalt) sicher. Damit können Verbrauchs- und Emissionsvorteile erzielt werden. Neben dem Injektor für das Pilotgemisch ist für die Einspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs mindestens ein weiterer Injektor erforderlich, der grundsätzlich als Multipoint-Injektor (MPI) oder Direct Injection Injector (DI-Injector) ausgeführt werden kann.
• Nachteilig hierbei ist der erhöhte Aufwand für den zusätzlichen Injektor (Package, Erweiterung Kraftstoffsystem, Ansteuerung, Kosten). Bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen (insbesondere den modernen direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Turboaufladung) ist es wichtig, dass die Hauptmenge des Kraftstoffes als Direkteinspritzmenge eingespritzt wird, um den Innenkühlungseffekt nutzen zu können. Da der Pilotinjektor in einer zentralen Einbaulage zündkerzennah positioniert sein muss, kann der im allgemeinen Hauptinjektor nur als seitlicher Injektor im Package untergebracht werden. Damit weist das Brennverfahren alle Nachteile einer seitlichen Injektorlage auf.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, o. g. Nachteile zu vermeiden.
• Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hubkolben-Brennkraftmaschine wird eine sog. „Pilotzündung” ohne ein zweites direkteinspritzendes Einspritzsystem realisiert. Zusätzlich wird in vorteilhafter Weise der Funktionsvorteil einer zentralen Injektorlage beibehalten.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• So weist das Gehäuse der Brennkammer bevorzugt einen weiteren Durchbruch auf, für die Einbringung des Kraftstoffes in die Brennkammer.
• Durch die unterschiedliche Geometrie der Spritzlöcher des Kraftstoffinjektors ist es möglich, unterschiedliche Kraftstoffmengen in den Brennraum und in die Brennkammer einzubringen.
• Bevorzugt wird durch die erste Öffnung mehr Kraftstoff in den Zylinder eingebracht als durch die zweite Öffnung, wobei die zweite Öffnung in Richtung der Brennkammer ausgerichtet ist.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer und einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
• 2 zeigt eine Aufsicht auf ein Brennraumdach eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes.
• 3 zeigt eine Detailvergrößerung aus 2.
• Im Folgenden gelten in den 1 bis 3 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
• 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer 4 und einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 3. Die Brennkammer 4 ist für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem in einem nicht dargestellten Zylinder hubbeweglich angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Kolben vorgesehen. In dem Zylinder befindet sich ein Brennraum 1, der in einen Hub- und einen Verdichtungsraum aufgeteilt ist, wobei der Brennraum 1 von dem Kolben, dem Zylinder und einem von einem Zylinderkopf gebildeten Brennraumdach 2 begrenzt ist. Der Hubraum entspricht dem Raum, der von dem Kolben überstrichen wird, der Verdichtungsraum ist der restliche Brennraum 1, der von dem Kolben nicht überstrichen wird. Weiter ist der Kraftstoffinjektor 3 vorgesehen, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum 1. In dem Verdichtungsraum ist die am Brennraumdach 2 angeordnete, von einem Gehäuse 4' gebildete Brennkammer 4 vorgesehen. Die Brennkammer 4 ist über mindestens einen Durchbruch 5 mit dem Brennraum 1 gasführend verbunden, wobei in der Brennkammer 4 eine Zündeinrichtung 6 vorgesehen ist.
• Erfindungsgemäß weist der Kraftstoffinjektor 3 zumindest eine erste und eine zweite Öffnung 7, 8 auf zur Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum 1, wobei der Kraftstoff durch die erste Öffnung 7 in den Brennraum 1 und durch die zweite Öffnung 8 direkt in die Brennkammer 4 eingebracht wird. Kraftstoffspraykeulen sind mit 10 beziffert. Zur Einbringung des Kraftstoffes in die Brennkammer 4 weist das Gehäuse 4' einen weiteren Durchbruch 9 auf. Bevorzugt weisen die erste und die zweite Öffnung 7, 8 des Kraftstoffinjektors 3 voneinander abweichende Spritzlochgeometrien auf. Hierdurch ist es möglich, dass durch die erste Öffnung 7 mehr Kraftstoff in den Brennraum 1 einbringbar ist als durch die zweite Öffnung 8 in die Brennkammer 4. Durch diese Maßnahme kann eine Kraftstoff/Luft-Gemischaufteilung (Schichtung) erzielt werden, beispielsweise ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer 4 und ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum 1.
• 2 zeigt einen Blick auf das Brennraumdach 2. Zentral ist das Gehäuse 4' der Brennkammer 4. angeordnet. Um das Gehäuse 4' herum sind vier Gaswechselkanäle 11, ohne Gaswechselventile, angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 4' sechs Durchbrüche 5 auf, die die Brennkammer 4 gasführend mit dem Brennraum 1 verbinden. Zusätzlich weist das Gehäuse 4' den in 3 erkennbaren weiteren Durchbruch 9 auf, durch den der Kraftstoff in die Brennkammer 4 einbringbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Kraftstoffinjektor 3 sechs Spritzlöcher auf, wobei fünf Öffnungen 7, 8 in den Brennraum 1 und eine Öffnung in das Gehäuse 4' ausgerichtet ist.
• 3 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung aus 2, wobei in 3 auch der weitere Durchbruch 9 erkennbar ist. Ansonsten gilt das Gleiche wie zu 2 Gesagte.
• Ziel der Erfindung ist die Nutzung des zentral, zündeinrichtungnah positionierten, direkt in den Brennraum 1 einspritzenden Kraftstoffinjektor 3 für die simultane Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 1 und die Brennkammer 4 (Hauptmenge und Pilotmenge). Hierzu wird ein Mehrlochkraftstoffinjektor 3 verwendet und die Anordnung von Mehrlochkraftstoffinjektor 3, Gehäuse 4' und Zündeinrichtung 6 ist derart, dass mindestens ein Einspritzstrahl oder eine Kraftstoffspraykeule 10 des Mehrlochkraftstoffinjektors 3 in das Volumen des Gehäuses 4', der Brennkammer 4 oder auch Vorkammer genannt, eingespritzt wird. Die Mengenaufteilung zwischen Pilot- und Hauptmenge des Kraftstoffs kann bevorzugt über die Spritzlochgeometrie des Kraftstoffinjektors 3 festgelegt werden.
• Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine die Umsetzung einer Pilotzündung ohne ein zweites direkt in den Brennraum 1 einspritzendes Einspritzsystem gewährleistet. Die Funktionsvorteile einer zentralen Kraftstoffinjektorlage werden somit beibehalten.
• Bezugszeichenliste

1

Brennraum

2

Brennraumdach

3

Kraftstoffinjektor

4

Brennkammer

4'

Gehäuse

5

Durchbruch

6

Zündeinrichtung

7

erste Öffnung

8

zweite Öffnung

9

weiterer Durchbruch

10

Kraftstoffstrahl

11

Gaswechselkanal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• JSAE 20119100 [0003]
• SAE 2011-01-2023, mit dem Titel „A single fuel pre-chamber jet ignition powertrain achieving high load, high efficiency and near Zero NOx emissions”, von William P. Attard and Hugh Blaxill, MAHLE Powertrain [0003]

Claims (4)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben, wobei ein Brennraum (1), der in einen Hubraum und einen Verdichtungsraum aufgeteilt ist von dem Kolben, dem Zylinder und einem von einem Zylinderkopf gebildeten Brennraumdach (2) begrenzt ist, wobei ein Kraftstoffinjektor (3) vorgesehen ist, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum (1), wobei im Verdichtungsraum eine am Brennraumdach (2) angeordnete, von einem Gehäuse (4') gebildete Brennkammer (4) vorgesehen ist, die über mindestens einen Durchbruch (5) mit dem Brennraum (1) Gas führend verbunden ist, wobei in der Brennkrammer (4) eine Zündeinrichtung (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (3) zumindest eine erste und eine zweite Öffnung (7, 8) aufweist zur Einbringung des Kraftstoffes und der Kraftstoff durch die erste Öffnung (7) in den Brennraum (1) und durch die zweite Öffnung (8) in die Brennkammer (4) einbringbar ist.
2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4') einen weiteren Durchbruch (9) aufweist für die Einbringung des Kraftstoffes in die Brennkammer (4).
3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Öffnung (7, 8) eine voneinander abweichende Geometrie aufweisen.
4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste Öffnung (7) mehr Kraftstoff bringbar ist als durch die zweite Öffnung (8).

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