DE1526294C3 - Fremdgezündete, gemischverdichtende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete, gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit lastabhängig veränderlichem Zündzeitpunkt, bei der die Luft um eine Achse wirbelt und der Kraftstoff in eine der Zündvorrichtung nahe Schicht des Wirbels eingetragen wird, aus der er bis zur Zündung in die angrenzenden Wirbeischichten diffundiert.

In der USA.-Patentschrift 3 154 059 ist näher beschrieben, weiche Vorteile eine Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung der vorgenannten Art gegenüber solchen Brennkraftmaschinen besitzt, die ein von außen angeliefertes homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch verarbeiten. Kurz gesagt liegen die Vorteile der Ladungsschichtung im wesentlichen darin, daß trotz des dabei existenten erheblichen Luftüberschusses durch die auf die Nähe der Zündvorrichtung erfolgende Konzentrierung des Kraftstoffes ständig für die Anwesenheit eines zündfähigen Gemisches gesorgt ist. Es kann folglich im Teillastbetrieb auf die bei der homogenen Gemischbildung geübte Drosselung der Luftzufuhr verzichtet werden, so daß durch den vorhandenen Luftüberschuß eine nahezu hundertprozentige Verbrennung des Kraftstoffes erreicht und damit der Ausstoß unverbrannter Kohlenwasserstoffe weitgehend reduziert wird. Die Ladungsschichtung ist auch darin vorteilhaft, daß sie insbesondere für die Verhältnisse von langhubigen Maschinen einen günstigeren Wirkungsgrad der Kraftstoffnutzung ergibt, daß sie durch die extreme Magerkeit des Gemisches eine geringere Klopfneigung erreicht und daß die Kohlenstoffablagerungen an den Zylindern und den Einlaßventilen weniger stark sind, so daß längere Überholzeiträume eingeplant werden können.

Durch die vorerwähnte USA.-Patentschrift 3 154 059 wird die Lehre erteilt, im Vollastbetrieb der Maschine, also dann, wenn eine gegenüber dem Teillastbetrieb wesentlich größere Kraftstoffmenge zur Einspritzung kommt, unter Zerstörung der Ladungsschichtung eine zumindest weitgehend- homogene Gemischbildung zu ermöglichen. Es ist folglich für diese Betriebsphase beispielsweise vorgesehen, eine Bildungsmöglichkeit des Luftwirbels von vornherein zu verhindern oder mittels einer weiteren Luftladung einen Gegenwirbel aufzubauen bzw. dann die Hauptmenge des Kraftstoffes bereits in den Ansaugkrümmer für die Luft einzuspritzen, während die restliche Kraftstoffmenge wie im Teillastbetrieb nahe der dabei im wesentlichen in der Zylinderachse angeordneten Zündvorrichtung eingetragen wird. Durch diese Bildung eines im wesentlichen homogenen Gemisches im Vollastbetrieb der Maschine soll die sonst für eine eventuelle Aufrechterhaltung der Ladungsschichtung wegen der nachteiligen Auswirkung auf die Verbrennung befürchtete Bildung eines überfetten Gemisches an der Zündvorrichtung verhindert werden.

jo Die Bereitstellung eines zumindest weitgehend homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisches für den Vollastbetrieb der Maschine hat eine Reihe von Nachteilen. Es erhält dadurch einmal der Kraftstoffhaushalt einen ungünstigeren Wirkungsgrad, weil zur Ver brennung allen in der Verbrennungsluft anwesenden Sauerstoffes das Gemisch mit mehr Kraftstoff angereichert werden muß, als zur Erzielung einer vollkommenen Verbrennung unbedingt erforderlich wäre. Weiterhin ergeben sich bei Maschinen mit hö-

ao herem Kompressionsverhältnis an den der Zündvorrichtung fernen Stellen Vorzündungen, die wegen ih res detonationsartigen Ablaufs eine verstärkte Geräuschbildung und eine vorzeitige Beschädigung der Zylinderwände zur Folge haben. Weiterhin besteht eine verstärkte Neigung zur Bildung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und anderer schädlicher Abgase, weil die Verbrennung entsprechend unvollkommen abläuft.

Es besteht deshalb die Aufgabe, die bekannten Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch in ihrem Vollastbetrieb die Vorteile vorliegen, die für den Teillastbetrieb gegenüber den mit einem von außen zugeführten homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisch arbeitenden Maschinen geltend gemacht werden können. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe besteht darin, daß die Ladungsschichtung so vorgenommen ist, daß auch bei Vollast an einer der Zündvorrichtung fernen Stelle noch eine Frischluftschicht verbleibt.

Gegenüber der bekannten Brennkraftmaschine wird damit zunächst der Vorteil erreicht, daß für den Vollastbetrieb keine Sondermaßnahmen getroffen werden müssen, um die für den Teillastbetrieb gewollte Ladungsschichtung wieder zu zerstören.

Durch die am einfachsten über eine entsprechende Verstellung des Zündzeitpunktes bzw. eine entsprechende Zündverzögerung auch für den Vollastbetrieb aufrechterhaltene Ladungsschichtung werden weiterhin die vorerwähnten Nachteile einer homogenen Gemischbildung vermieden, d. h., es kommt insbesondere nicht zu den detonationsartig ablaufenden Vorzündungen, weil die bei der Zündung vorhandene restliche Frischluftmenge eine Kühlwirkung auf die umgebenden, vergleichsweise mageren Gemischschichten ausübt, wodurch deren Zündungstemperatur höher wird als diejenige der vergleichsweise fetteren Gemischschichten in der Umgebung der Zündvorrichtung. Die restliche Frischluftschicht hat weiterhin die Wirkung, daß sie nach erfolgter Zündung eine Expansion der Verbrennungsgase ermöglicht und eine Nachverbrennung der mit ihr zur Mischung kommenden, aus den fetteren Wirbelschichten in der Umgebung der Zündvorrichtung stammenden und bis dahin noch nicht verbrannten Kraftstoffpartikel begünstigt. Wegen dieser Möglichkeit einer Nachverbrennung ist die Erzeugung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und anderer schädlicher Abgase weniger wahrscheinlich. Zu diesen Vorteilen, die auch für

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Maschinen mit vergleichsweise hohen Kompressions- der Kraftstoff, der in der Nähe der Randschicht 52

Verhältnissen geltend gemacht werden können, ge- zum Niederschlag an den diesbezüglichen Wänden der

hört natürlich auch der Hinweis auf einen günstige- Brennkammer 18 kommt. Folglich kann davon aus-

ren Wirkungsgrad des Kraftstoffhaushaltes, wodurch gegangen werden, daß der Kraftstoff bereits während

eine überaus wirtschaftliche Betriebsweise einer sol- 5 des Einlaßhubes aus der Randschicht 52 allmählich

chen, vergleichsweise einfach konstruierbaren Brenn- in die achsnahen Wirbelschichten diffundiert, so daß

kraftmaschine erreichbar ist. fortlaufend weitere Frischluftschichten des Wirbels

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in mit Kraftstoff durchsetzt werden. Sobald der Kom-

der Zeichnung schematisch dargestellt und werden pressionshub beginnt, wird dadurch diese fortschrei-

nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt io tende Durchmischung weiterer Frischluftschichten

Fig. 1 einen Teilschnitt durch den Zylinder einer mit Kraftstoff gefördert, wobei davon auszugehen ist,

Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung, daß es erst ab einer bestimmten Lage des Kolbens 14

Fig. IA einen Querschnitt nach der Linie IA-IA zu einer Beeinträchtigung der Wirbelbewegung

in F ig. 1, kommt.

Fig.2 einen der Fig. 1 entsprechenden Teil- 15 Die Brennkraftmaschine, an welcher die vorbeschnitt durch den Zylinder einer Brennkraftmaschine schriebene Ladungsschichtung verwirklicht ist, bemit einer anderen Ladungsschichtung und sitzt noch eine Einrichtung, die eine lastabhängige

Fig.2 A einen Querschnitt nach der Linie 2A-IA Veränderung des Zündzeitpunktes erlaubt. Diesbe-

inFig. 2. züglich ist vorgesehen, daß im unteren Teillastbetrieb,

In der Bohrung 12 des Zylinders 10 ist der durch ao die Zündung beispielsweise dann vorgenommen wird, die Kurbelwelle der Maschine bewegliche Kolben 14 wenn die mit Kraftstoff durchsetzten Wirbelschichten angeordnet. Die Zylinderbohrung 12 ist nach oben etwa ein Drittel der gesamten Frischluftladung der durch den Zylinderkopf 16 abgeschlossen und be- Brennkammer 18 erreichen. Der Kolben 14 befindet grenzt zusammen mit dessen Innenwand 20 und dem sich dann beispielsweise in der in Fig. 1 verdeutlich-Kolben 14 die Brennkammer 18. Ein in diese ein- 25 ten Stellung, die etwa 35° vor seiner oberen Totmündender Lufteinströmkanal 22, der an den An- punktlage liegt. Zu diesem Zeitpunkt liegt noch keine saugkrümmer 24 der Maschine angeschlossen ist, ist Beeinträchtigung der Wirbelbewegung vor. Bei einer durch ein übliches Einlaßventil 26, 28 verschließbar, eventuell weitergehenden Unterschreitung der diesem wobei in der Schließstellung dieses Ventils dessen speziellen Zündzeitpunkt entsprechenden Lastver-Kopf 48 an einer Sitzfläche 46 des Zylinderkopfes 16 30 hältnisse ist in diesem Fall zweckmäßig vorgesehen, anliegt. In den Ansaugkrümmer 24 ragt noch eine dann eine Drosselung der Frischluftzufuhr vorzuneh-Einspritzvorrichtung 30 für den Kraftstoff vor, deren men. Da im höheren Teillastbetrieb anfänglich eine Düse 32 gegen die gegenüberliegende Wand 36 des stärkere Anreicherung mit Kraftstoff der Rand-Lufteinströmkanals 22 ausgerichtet ist. Weiterhin schicht des Wirbels vorliegt, muß dann dem Kolben ragt in die Brennkammer 18 eine Zündkerze 38 vor, 35 14 Gelegenheit gegeben werden, die Wirbelbewegung welche der Zündung der in der Brennkammer ge- zu beeinträchtigen, damit der Kraftstoff forciert in schichteten Luft-Kraftstoff-Ladung dient. weitere Frischluftschichten vordringen kann. Die

Die Formgebung der Brennkammer 18 ist wesent- Zündung wird folglich jetzt verzögert und beispielslich bestimmt durch eine Auswölbung 40 in der weise dann vorgenommen, wenn etwa die Hälfte der Stirnfläche 44 des Kolbens 14 und eine Auswölbung 40 Frischluftladung der Brennkammer 18 mit Kraftstoff 42 in der Zylinderkopffläche 20. Ihre Ausbildung ist durchsetzt ist. Damit schließlich auch im Vollastbe-ί in Abhängigkeit von der Formgebung und Anord- trieb an der Zündkerze 38 kein zu fettes Gemisch nung des Lufteinströmkanals 22 so gewählt, daß die vorliegt, wird dann der Zündzeitpunkt nochmals um Ä\ einströmende Luft in eine Wirbelbewegung um eine ein solches Zeitmaß später eingestellt, daß der KoI-Achse versetzt wird, die etwa senkrecht zu der Achse 45 ben bei seiner Annäherung an die obere Totpunkt-50 der Zylinderbohrung 12 ausgerichtet ist. Der dies- lage den Kraftstoff in weitere Frischluftschichten des bezügliche Luftwirbel, der während des Einlaßhubes Wirbels verdrängen kann. Im Kompressionshub des und eines Teils des Kompressionshubes durch eine Kolbens wird also auch dabei die anfänglich überentsprechende Steuerung der Zuströmgeschwindig- fette Randschicht des Wirbels abgemagert, wobei keit der Luft eine ständig fortschreitende Schichtung 5° diese Abmagerung durch entsprechende Einstellung erfährt, ist durch die ausgezogenen Stromlinien ver- des Zündzeitpunktes so gesteuert ist, daß auch dann deutlicht. Während die Luft in die Brennkammer 18 bei der Zündung an einer der Zündkerze fernen angesaugt wird, wird auch der Kraftstoff in einem Stelle noch eine restliche Frischluftschicht vorhanden Strahl 34 entweder fortlaufend oder intervallmäßig ist.

gegen die der Düse 32 gegenüberliegende Wand 36 55 Ausweislich der abgewandelten Ausführungsform des Lufteinströmkanals 22 geschleudert. Die über gemäß Fig. 2 bestehen grundsätzlich zahlreiche diese Wand streichende und als Randschicht des Möglichkeiten, wie eine solche fremdgezündete, geWirbels in die Brennkammer 18 eingetragene Luft mischverdichtende Brennkraftmaschine zu konstruiewird folglich mit dem Kraftstoff durchsetzt, so daß ren ist, damit eine zweckentsprechende Ladungsnahe der Zündkerze 38 ein zündfähiges Gemisch ge- 60 schichtung mit den vorerwähnten lastabhängigen bildet wird, wie dies 'durch das gepunktete Feld· 52 Charakteristiken stattfinden kann. So kann es, wie in verdeutlicht ist. Durch die Wirbelbewegung werden F i g. 2 gezeigt, zweckmäßig erscheinen, die Düse der die größeren Kraftstoff partikel gegen die die Brenn- Einspritzvorrichtung für den Kraftstoff gegen den kammer begrenzenden Wände geschleudert, während Kopf 60 des Einlaßventils 58 auszurichten, wodurch die kleineren Kraftstoffpartikel verdampft werden. 65 auch in diesem Fall erreicht wird, daß die durch den Durch die Verdampfungswärme wird auch der die Einströmkanal 54 in die Brennkammer 18 einströ-Wand 36 des Lufteinströmkanals 22 ständig benet- mende Luft den Kraftstoff dann in einer Randschicht zende Kraftstoff fortlaufend verdampft ebenso wie des Wirbels in die Nähe der Zündkerze 38 bringt.

Für diese abgewandelte Einspritzungsart, die eine abgewandelte Ausrichtung der Wirbelachse bedingt, ist es natürlich erforderlich, auch eine entsprechende Anpassung der Ausbildung und Anordnung von allen denjenigen Bauteilen der Maschine vorzunehmen, die für die Ladungsschichtung maßgebend sind. Aus dem Vergleich der Fig. 1 und2 ist herleitbar, daß deshalb in diesem Fall insbesondere die Zündkerze 38 oder eine andere, äquivalente Zündvorrichtung und das Einlaßventil 58 an eine andere Stelle bezüglich des in dem Zylinderkopf anders ausgeformten Lufteinströmkanals 54 gelegt werden müssen.

Alternativ dazu kann es im Einzelfall auch zweckmäßig erscheinen, den Lufteinströmkanal in einen größeren und in einen kleineren Teilkanal zu unterteilen und die Einspritzvorrichtung für den Kraftstoff in dem bezüglich des Einlaßventils und der Zündvorrichtung so ausgerichteten kleineren Teilkanal anzuordnen, daß es auch hierbei zu einer Eintragung des Kraftstoffes in eine Randschicht des Wirbels kommt, die nahe der Zündvorrichtung liegt und von welcher der Kraftstoff dann in die angrenzenden Wirbelschichten diffundieren kann. Dabei können den beiden Teilkanälen ein gemeinsames Einlaßventil oder zwei getrennte, parallel oder zeitlich aufeinanderfolgend arbeitende Einlaßventile zugeordnet sein. Auch muß die Achse des Wirbels, wie für die beiden Ausführungsbeispiele angenommen, nicht unbedingt etwa senkrecht zu der Achse der Zylinderbohrung verlaufen, vielmehr kann sie auch etwa in dieser liegen oder in eine beliebig andere Richtung ausgerichtet sein. Weiterhin ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Kraftstoff in eine der Zylinderwand nahe Randschicht des Wirbels eingetragen wird, er kann statt dessen auch an einer etwa in der Achse des Wirbels liegenden Stelle der Brennkammer zugeführt werden. Auf eine ergänzende Darstellung aller dieser Ausführungsmöglichkeiten kann jedoch verzichtet werden, weil hierzu bereits zahlreiche Vorschläge vorliegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Fremdgezündete, gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit lastabhängig veränderlichem Zündzeitpunkt, bei der die einströmende Luft um eine Achse wirbelt und der Kraftstoff in eine der Zündvorrichtung nahe Schicht des Wirbels eingetragen wird, aus der er bis zur Zündung in die angrenzenden Wirbelschichten diffundiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsschichtung so vorgenommen ist, daß auch bei Vollast an einer der Zündvorrichtung fernen Stelle noch eine Frischluftschicht verbleibt