DE102016218707A1

DE102016218707A1 - Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016218707A1
Application number: DE102016218707.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gutzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-29

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 in dem Zylinderkopf ein erster Kraftstoffinjektor angeordnet ist, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum, wobei im Verdichtungsraum eine am Brennraumdach angeordnete Brennkammer vorgesehen ist, die über mindestens einen Durchbruch mit dem Brennraum Gas führend verbunden ist, wobei in der Brennkammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, wobei in dem Zylinderkopf ein zweiter Kraftstoffinjektor angeordnet ist, zur Einbringung von Kraftstoff in die Brennkammer. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich eine bauraumgünstige Zündkammeranordnung zum Erschließen der Potentiale hochverdünnter Brennverfahren für Verbrauchs- und Emissionsvorteile.

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 japanischen Automobilherstellers Honda hingewiesen. Honda hatte bereits 1974 eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine in Serie gebracht, mit der sogenannten CVCC-Technologie (Compound Vortex Controlled Combustion). Hierbei handelt es sich um eine sogenannte Schichtlade-Brennkraftmaschine, 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 gefüllt, während der Hauptbrennraum mit einem mageren Kraftstoff-/Luft-Gemisch gefüllt wird. Da während eines Ansaugvorgangs ein Mehrfaches des Vorkammervolumens an Frischluft angesaugt wird, kommt es zum Überströmen des fetten Kraftstoff-/Luft-Gemisches durch Öffnungen aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum. Während des Kompressionstakts wird dieses teilweise wieder in die Vorkammer zurückgeschoben. Jedoch 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 Ingnition Powertrain Achieving High Load, High Efficiency and Near Zero NOx Emissions", von William P. Attard und Hugh Blaxill, MAHLE Powertrain, ein Vorkammerpilot-Zündsystem für Ottomotoren bekannt. Hierbei wird durch eine Piloteinspritzung mit einer kleinen Kraftstoffmenge in eine Vorkammer (Pilotkammer) eines Hauptbrennraumes ein fettes, unterstöchiometrisches Gemisch erzeugt, das durch eine in der Vorkammer angeordnete Zündkerze sicher gezündet werden kann. Das brennende Pilotgemisch strömt durch an der Vorkammerwand angebrachte Bohrungen in den Hauptbrennraum, generiert dabei hohe Turbulenzen 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) ausgeführt werden kann.
Nachteilig an dieser Technik ist die Verwendung eines Saugrohrinjektors, mit dem der Innenkühlungseffekt nicht genutzt werden kann. Des Weiteren wird die Vorkammer als Schraubbauteil, als separates Bauteil, in den Zylinderkopf eingeschraubt, was sich negativ auf die HC-Emissionen (Kohlenwasserstoff-Emissionen) auswirkt.
Um diesen Nachteil zu beseitigen wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 202 080 A1 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgeschlagen mit einem in einem Zylinder hubbeweglich angeordneten Kolben, wobei ein Brennraum in einen Hubraum und einen Verdichtungsraum aufgeteilt ist, der 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 Brennkammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor zumindest eine erste und eine zweite Öffnung aufweist zur Einbringung des Kraftstoffs durch die erste Öffnung in den Brennraum und durch die zweite Öffnung in die Brennkammer.
Nachteilig an diesem bekannten Stand der Technik sind die ebenfalls als separates Bauteil ausgeführte Brennkammer im Zylinderkopf, sowie eine schwierige Dosierung der Kraftstoffmenge in die Brennkammer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die vorgeschlagene, erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich eine bauraumgünstige Zündkammeranordnung und somit

– Der Erhalt einer vorteilhaften, zentralen Injektorposition mit gleichzeitigem
– Erschließen der Potenziale hochverdünnter Brennverfahren durch die Zündkammerzündung.

Dies führt in vorteilhafter Weise zu Verbrauchs- und Emissionsvorteilen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 lässt sich ein geforderter Lambawert (Kraftstoff-/Luftverhältnis) in der Brennkammer besser einstellen.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 werden die nachteiligen HC-Emissionen aufgrund von kleinsten Zwischenräumen zwischen dem Zylinderkopf und der Brennkammer (z. B. ein Schraubgewinde), wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, vermieden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist die vorteilhafteste Ausgestaltung für direkt einspritzende Brennkraftmaschinen, um alle Emissionsvorteile und Verbrauchsvorteile zu erzielen.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 baut besonders kompakt, wobei gleichzeitig eine besonders effiziente Kühlung mit Kühlmittel möglich ist.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 sind sowohl der erste Kraftstoffinjektor als auch die Brennkammer ideal zu kühlen, bei einem optimalen Package.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, für längs und quer eingebaute Hubkolben-Brennkraftmaschinen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei schematischen Figuren und einer Konstruktionszeichnung näher erläutert.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
2 zeigt eine Unteransicht des Zylinderkopfs mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
Im Folgenden gelten in den 1 bis 3 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf 14 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Der Schnitt geht entlang einer nicht dargestellten Zylinderachse und ist in 2 (I-I) eingezeichnet. Der Zylinderkopf 14 ist für eine nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen, 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 dem Zylinderkopf 14 gebildeten Brennraumdach 2 begrenzt ist. Weiter ist in dem Zylinderkopf 14 ein erster Kraftstoffinjektor 3 angeordnet, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum 1, wobei im Verdichtungsraum eine am Brennraumdach 2 angeordnete Brennkammer 4 vorgesehen ist. Die Brennkammer 4 ist hierbei im vorliegenden Ausführungsbeispiel über zwei Durchbrüche 5 mit dem Brennraum 1 Gas führend verbunden. Weiter ist in dem Zylinderkopf 14 eine Zündeinrichtung 6 vorgesehen, deren Elektrode bis in die Brennkammer 4 ragt.
Erfindungsgemäß ist im Zylinderkopf 14 ein zweiter Kraftstoffinjektor 7 angeordnet, zur Einbringung von Kraftstoff in die Brennkammer 4. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Kraftstoffinjektor 7 um einen Kleinmengen-Kraftstoffinjektor, mit dem eine hervorragende Lambdaeinstellung (Kraftstoff-/Luftverhältnis) in der Brennkammer 4 einstellbar ist. Weiter ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Brennkammer 4 einstückig und materialeinheitlich mit dem Zylinderkopf 14, wodurch die Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC-Emissionen), wie sie in nachteiliger Weise aus dem Stand der Technik, wie z. B. durch Schraubgewinde, bekannt sind, sicher vermieden sind.
Weiter ist der Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffinjektor 3 weitgehend in Richtung einer nicht dargestellten Zylinderachse in den Brennraum 1 einbringbar, wodurch Wandbenetzungseffekte mit Kraftstoff nahezu vollständig vermieden werden, und eine wesentlich bessere Emissionierung möglich ist. Auch der Kraftstoffverbrauch ist mit dieser dargestellten Geometrie hervorragend.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Zylinderkopf 14 kühlmittelgekühlt und die Brennkammer 4 und der erste Kraftstoffinjektor 3 sind vollständig von einem Kühlmittelkanal 8 umschlungen. Der Kühlmittelkanal 8 ist in 3 dargestellt. Eine Strömungsrichtung des Kühlmittels ist in 2 schematisch durch punktierte Pfeile dargestellt.
2 zeigt eine Unteransicht auf das Brennraumdach 2. Schematisch durch Kreise dargestellt, sind zwei Gaswechseleinlassventile 9 sowie zwei Gaswechselauslassventile 10. Wie in 2 weiter erkennbar ist, ist der erste Injektor 3 zwischen den Gaswechselventilen 9, 10 weitgehend zentral im Brennraum, leicht in Richtung der Gaswechseleinlassventile 9 verschoben angeordnet. Demgegenüber ist die Brennkammer 4 mit dem zweiten Injektor 7 und der Zündeinrichtung 6 ein wenig auslassseitig angeordnet.
Grundsätzlich sind der erste Kraftstoffinjektor 3 und der zweite Kraftstoffinjektor 7 und die Zündeinrichtung 6 T-förmig angeordnet, wobei der erste Kraftstoffinjektor 3, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bevorzugt einlassseitig ist oder auch auslassseitig angeordnet sein kann. Dies führt zu einem sehr kompakten Package, wobei gleichzeitig eine effiziente Kühlung mit Kühlmittel möglich ist.
Weiter ist der Kühlmittelkanal 8 durch gepunktete Pfeile schematisch dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel von der heißen Seite (auslassseitig) kommend um die Zündkammer 4 herumgeführt ist. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kühlung kann der Kühlmittelkanal 8 weitgehend in Richtung einer nicht dargestellten Längsachse des Zylinderkopfes 14 (in Richtung hintereinander angeordneter Zylinder) oder weitgehend quer zu der Längsachse mit Kühlmittel speisbar sein. Diese Ausführungsvarianten sind für Längs- oder Quereinbau der Hubkolben-Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
3 zeigt einen horizontalen Schnitt (Konstruktionszeichnung) durch den Zylinderkopf 14 der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Schnitt erstreckt sich in weitgehend horizontal durch den Zylinderkopf 14, und zeigt eine Aufsicht auf den Zylinderkopf 14 von oben, auf die dem Brennraumdach 2 gegenüber liegende Seite.
In 3 sind zwei Einlasskanäle 11 für die Gaswechseleinlassventile 9 dargestellt. Eine Strömungsrichtung einer Ansaugluft ist durch zwei Pfeile in den Einlasskanälen 11 schematisch dargestellt.
Weiter sind zwei Auslasskanäle 12 für die Gaswechselauslassventile 10 dargestellt, wobei eine Strömungsrichtung eines Abgases wiederum durch zwei Pfeile in den Auslasskanälen 12 dargestellt ist. Einlassseitig, d. h. in der Richtung der Einlasskanäle 11 ist ein Schacht 13 für den ersten Kraftstoffinjektor 3 geschnitten dargestellt. Benachbart zu dem Schacht 13 ist ein Schnitt durch die Brennkammer 4, in die der zweite Kraftstoffinjektor 7 und die Zündeinrichtung 6 einbringbar sind. Die Brennkammer 4 ist besonders bevorzugt einstückig und materialeinheitlich mit dem Zylinderkopf 14 ausgeführt. Radial außen um den Schacht 13 und die Brennkammer 4 ist der Kühlmittelkanal 8, der sich vollständig um den Schacht 13 sowie die Brennkammer 4 erstreckt. Eine Strömungsrichtung eines Kühlmittels ist durch vier Pfeile in dem Kühlmittelkanal 8 schematisch dargestellt.
Durch die vorgeschlagene, erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich eine bauraumgünstige Zündkammeranordnung und somit der

– Erhalt der zentralen Injektorposition bei gleichzeitigem
– Erschließen der Potenziale hochverdünnter Brennverfahren durch die Zündkammerzündung.

Hieraus ergeben sich in vorteilhafter Weise Verbrauchsvorteile und Emissionsvorteile.
Bezugszeichenliste

1: Brennraum
2: Brennraumdach
3: erster Kraftstoffinjektor
4: Brennkammer
5: Durchbruch
6: Zündeinrichtung
7: zweiter Kraftstoffinjektor
8: Kühlmittelkanal
9: Gaswechseleinlassventil
10: Gaswechselauslassventil
11: Einlasskanal
12: Auslasskanal
13: Schacht für ersten Kraftstoffinjektor
14: Zylinderkopf

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 Patentliteratur

DE 102012202080 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE-Veröffentlichung JSAE 20119100 [0003]
SAE 2011-01-2023, mit dem Titel „A Single Fuel Pre-Chamber Jet Ingnition Powertrain Achieving High Load, High Efficiency and Near Zero NOx Emissions“, von William P. Attard und Hugh Blaxill, MAHLE Powertrain [0003]

Claims

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 (14) gebildeten Brennraumdach (2) begrenzt ist, wobei in dem Zylinderkopf (14) ein erster Kraftstoffinjektor (3) angeordnet ist, zur Einbringung von Kraftstoff direkt in den Brennraum (1), wobei im Verdichtungsraum eine am Brennraumdach (2) angeordnete Brennkammer (4) vorgesehen ist, die über mindestens einen Durchbruch (5) mit dem Brennraum (1) Gas führend verbunden ist, wobei in dem Zylinderkopf (14) eine Zündeinrichtung (6) vorgesehen ist, die in die Brennkammer (4) ragt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinderkopf (14) ein zweiter Kraftstoffinjektor (7) angeordnet ist, zur Einbringung von Kraftstoff in die Brennkammer (4).
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoffinjektor (7) ein Kleinmengen-Kraftstoffinjektor ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4) einstückig und materialeinheitlich mit dem Zylinderkopf (14) ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffinjektor (3) weitgehend in Richtung einer Zylinderachse in den Brennraum (1) einbringbar ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstoffinjektor (3) und der zweite Kraftstoffinjektor (7) und die Zündeinrichtung (6) T-förmig angeordnet sind, wobei der erste Kraftstoffinjektor (3) einlassseitig oder auslassseitig angeordnet ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (14) Kühlmittel gekühlt ist und die Brennkammer (4) und der erste Kraftstoffinjektor (3) vollständig von einem Kühlmittelkanal (8) umschlungen sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (8) weitgehend in Richtung einer Längsachse des Zylinderkopfes (14) oder weitgehend quer zu der Längsachse mit Kühlmittel speisbar ist.