DE19853375A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung - Google Patents
Hubkolbenbrennkraftmaschine mit FremdzündungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest
zwei Einlaßkanälen pro Zylinder, von denen einer als Neutralkanal und der andere vorzugs
weise als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise ein Absperr
organ angeordnet ist, und wobei eine erste Einspritzvorrichtug zur indirekten Kraftstoffein
spritzung in beide Einlaßkanäle einmündet.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit indirekter Kraftstoffeinspritzung ist
aus der AT 402 535 B bekannt. Die Brennkraftmaschine weist zwei Einlaßkanäle pro Zylinder
auf, von denen einer als Neutralkanal und der andere als Tangentialkanal ausgebildet ist. Die
Kraftstoffeinspritzung kann dabei in einen oder in beide Einlaßkanäle erfolgen, wobei pro
Einlaßkanal eine Einspritzvorrichtung vorgesehen sein kann. In einer weiteren Ausführungs
variante ist die Einspritzvorrichtung mittig zwischen den beiden Einlaßkanälen angeordnet
und spritzt über ein Fenster zwischen den beiden Einlaßkanälen Kraftstoff in beide Einlaßka
näle ein. Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer derartigen Brennkraftmaschine ab dem
unteren Teillastbereich Kraftstoffverbräuche erzielt werden können, die mit einer Kraftstoff
direkt in den Brennraum einspritzenden Brennkraftmaschine vergleichbar sind, insbesondere;
wenn der Motor mit hohen Abgasrückführraten betrieben wird. Im Leerlaufbereich lassen sich
keine Verbrauchsvorteile durch Abgasrückführung erzielen, da die Verbrennung im Leerlauf
keine Abgasrückführung toleriert.
Aus der US 5 357 925 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Neutralkanal und einem Spi
ralkanal pro Zylinder bekannt, bei der eine Kraftstoffeinspritzung in den Neutralkanal und
eine andere Kraftstoffeinspritzeinrichtung in den Brennraum mündet. Der Kraftstoffstrahl der
direkt in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist auf das Einlaßventil
des Spiralkanales gerichtet. Eine derartige exzessive Benetzung des Einlaßventiles hat aller
dings den Nachteil, daß die Verbrennungs- und Emissionsqualität verschlechtert wird. Da mit
der indirekten Kraftstoffeinspritzung nur in einen der beiden Einlaßkanäle eingespritzt wird,
kann bei Vollast ein nur relativ geringer Mitteldruck erzielt werden.
Weiters sind direkt einspritzende Otto-Brennkraftmaschinen bekannt, die über den gesamten
Motorbetriebsbereich, also sowohl im Leerlauf als auch im Vollastbetrieb Kraftstoff über Ein
spritzdüsen direkt in den Brennraum einbringen. Diese Brennkraftmaschinen werden übli
cherweise im Leerlauf und im unteren Teillastbereich geschichtet mit einer Einspritzung kurz
vor dem oberen Totpunkt und im übrigen Betriebsbereich homogen mit einer Einspritzung
lange vor dem oberen Totpunkt der Zündung betrieben. Insbesondere im Teillastbereich ar
beiten diese Motoren geschichtet, also mager (Lambda größer 1), weshalb
(Sauerstoffüberschuß) eine Reduktion von Stickoxiden (NOx) mit einem Dreiwegkatalysator
nicht möglich ist. Es ist eine aufwendige Stickoxidnachbehandlung, beispielsweise mit einem
Denox-Katalysator, notwendig. Da die Einspritzdüsen den gesamten Betriebsbereich vom
Leerlauf bis zur Vollast des Motors in Hinblick auf Durchflußmengen, Einspritzdruck und
Temperaturen tolerieren müssen, sind diese Einspritzsysteme vergleichsweise aufwendig und
teuer. Andererseits kann mit direkter Kraftstoffeinspritzung ein extremer Magerbetrieb im
unteren Betriebsbereich des Motors realisiert werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschi
ne die Vorteile von direkter und indirekter Kraftstoffeinspritzung zu vereinigen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum
mündende Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.
Dabei ist vorgesehen, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraftstoffeinspritzung und im
Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Die Brenn
kraftmaschine wird dabei nur im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich als direkt einspritzen
de Brennkraftmaschine betrieben. Die NOx-Emission ist im Leerlauf gering, und daher muß
kein Denox-Katalysator verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvari
ante ist dabei vorgesehen, daß die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich geschichtet mager
und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch oder fett betrieben wird. Da
durch lassen sich Zyklusverbräuche, wie bei einem direkt einspritzenden Motor erzielen, ohne
die Nachteile der hohen Kosten und der Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.
Da die erste Einspritzvorrichtung in beide Einlaßkanäle Kraftstoff einspritzt, kann bei Vollast
ein hoher Mitteldruck erreicht werden.
Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann relativ klein und damit kostengünstig ausge
legt werden, da sie nur die sehr geringen Einspritzmengen im Leerlaufbetrieb verarbeiten muß
und der Kraftstoffeinspritzdruck im Leerlauf deutlich niedriger ist als bei konventionellen
direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen im gesamten Betriebsbereich. In Verbindung mit
der bekanntermaßen kostengünstigen indirekten Einspritzung in das Einlaßsystem können die
Vorteile von direkter und indirekter Einspritzung somit voll ausgenützt und die Nachteile und
Schwächen jedes der beiden Systeme vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mündung
der zweiten Kraftstoffeinspritzung seitlich in einer dachförmigen Brennraumdeckfläche ange
ordnet ist. Eine besonders hohe Verbrennungsqualität ergibt sich, wenn die zweite Kraftstof
feinspritzung etwa zur Zylindermitte gerichtet ist, und eine unbehinderte direkte Kraftstoffein
spritzung in den Brennraum ermöglicht. Dies ermöglicht eine Kraftstoffeinspritzung in Rich
tung der Zündeinrichtung, wobei die Lage und Ausrichtung der zweiten Kraftstoffeinsprit
zeinrichtung hinsichtlich des geschichteten Betriebes im Leerlauf optimiert werden können. In
einer sehr platzsparenden Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, daß die zweite Einspritz
vorrichtung - in Richtung der Motorlangsachse gesehen auf der der Zylinderkopfdichtebene
zugewandten Seite der Einlaßkanäle angeordnet ist.
Um während des Betriebes mit indirekter Einspritzung einen möglichst geringen Kraftstoff
verbrauch zu erreichen, ist vorgesehen, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich
(Direkteinspritzung) und im Teillastbereich (Saugrohreinspritzung) eingeschaltet wird. Durch
die Direkteinspritzung im Leerlaufbetrieb ist es - zum Unterschied zu herkömmlichen Saug
rohreinspritzsystemen - möglich, auch im Leerlauf Abgasrückführung zu verwenden, was sich
weiter vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Durch die Abgasrückführung lassen
sich ab dem unteren Teillastbereich Verbräuche erzielen, welche mit direkt einspritzenden
Brennkraftmaschinen durchaus vergleichbar sind. Dies ist insbesondere bei saugsynchroner
Einspritzung und bei Brennkraftmaschinen mit hoher Abgasrückführtoleranz möglich. Dies
sind Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlaßkanälen, von denen einer als Neutral
kanal und einer als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise eine
Abschalteinrichtung vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Kraft
stoffeinspritzvorrichtung zwischen dem Neutralkanal und dem Tangentialkanal angeordnet ist,
und die Einspritzung im Bereich einer Öffnung zwischen dem Neutral- und dem Tangential
kanal in beide Einlaßkanäle erfolgt.
Um eine weitere Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches im Leerlaufbe
reich zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffeinsprit
zung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt. Dabei wird nur in einen
bzw. in eine Gruppe von Zylindern eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingebaut. Im
Leerlaufbetrieb werden nur Zylinder gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffein
spritzvorrichtung einmündet. Der oder die anderen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch
erhöht sich für die gefeuerten Zylinder der indizierte Mitteldruck, der spezifische Kraftstoff
verbrauch sinkt. Zusätzlich können die Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrich
tungen eingespart werden.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
gemäß der Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Zylinder und
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Zylinderreihe.
In einem Zylinder 1 ist ein hin und her gehender Kolben 2 angeordnet. Die Oberfläche 3 des
Kolbens 2 beschreibt zusammen mit der durch den Zylinderkopf gebildeten dachförmigen
Brennraumdecke 5 einen Brennraum 6, in welchen zwei Einlaßkanäle 7, 8 und zwei Auslaß
kanäle 9 einmünden. Der Einlaßkanal 7 ist dabei als Neutralkanal und der Einlaßkanal 8 als
Tangentialkanal ausgebildet. Unter Neutralkanal ist dabei ein Kanal zu verstehen, der im
Brennraum weder eine Drall- noch eine Tumblebewegung induziert. Die Strömung des Neu
tralkanales ist in Fig. 2 mit Pfeil 21 angedeutet. Der Tangentialkanal hingegen erzeugt eine
Drallströmung 22 um die Zylinderachse 1a. Die Mittelachse 8a des Tangentialkanales 8
schließt dabei mit der Zylinderachse 1a einen größeren Winkel 8b ein, als die Mittelachse 7a
des Neutralkanales. Der diesbezügliche Winkel zwischen der Mittelachse 7a und der Zylin
derachse 1a ist mit 7b bezeichnet.
Im Bereich der Einmündung in den Brennraum 6 schließt die Mittellinie 7a des als Neutralka
nal ausgebildeten Einlaßkanales 7 mit einer Verbindungslinie zwischen Zylindermitte und
Ventilmitte einen Winkel 7c ein, der kleiner ist, als ein entsprechender Winkel 8c zwischen
der Mittellinie 8a des als Tangentialkanal ausgebildeten Einlaßkanales 8 und einer Verbin
dungslinie zwischen der Zylindermitte und der entsprechenden Ventilmitte.
Im Einlaßkanal 7 ist ein Absperrorgan 10 angeordnet, welches vorzugsweise definierte
Leckageöffnungen 10a aufweist,, durch welche im geschlossenen Zustand ein genau definier
ter Leckagevolumenstrom möglich ist.
Mit 11 sind Einlaßventile, mit 12 Auslaßventile bezeichnet.
Im Bereich der Zylinderachse 1a ist eine Zündeinrichtung 13 im Bereich des Giebels der
dachförmigen Brennraumdecke 5 positioniert.
Der Einlaßkanal 7 und der Einlaßkanal 8 sind über eine Öffnung 14 miteinander verbunden.
Im Bereich der Öffnung 14 ist zwischen dem Einlaßkanal 7 und dem Einlaßkanal 8 eine erste
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen, welche in dem Ausführungsbeispiel im Bereich
der Motorquerebene 16 angeordnet ist und Kraftstoff 17 in jeden der beiden Einlaßkanäle 7, 8
einspritzt. Auf der der Zylinderkopfdichtebene 18 zugewandten Seite der beiden Einlaßkanäle
7, 8, also zwischen Einlaßkanälen 7, 8 und dem Zylinderblock, ist eine zweite Kraftstoffein
spritzeinrichtung 19 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 6 vorgesehen,
Die Mündung 19a der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 ist dabei seitlich am Rand des
Brennraumes 6 angeordnet, wodurch der Kraftstoffstrahl 20 etwa radial im Bereich der Zylin
dermitte gerichtet ist.
Die Brennkraftmaschine weist weiters ein Abgasrückführsystem 21 auf, um Abgas in be
stimmten Motorbetriebsbereichen aus dem Auslaßsystem 22 in das Einlaßsystem 23 zurück
zuführen. Das Abgasrückführsystem weist dabei mindestens eine Abgasrückführleitung 24
auf, welche direkt von einem Auslaßkanal 9 ausgehen kann. In der Abgasrückführleitung 24
ist ein Steuerorgan 25 angeordnet, mit welchem die Abgasrückführung aktivierbar bzw. deak
tivierbar ist, und mündet in einen Abgasrückführsammler 26. Vom vorteilhafterweise klein
volumig ausgeführten Abgasrückführsammler 26 zweigen Abgasverteilerleitungen 27 ab und
münden jeweils in einen Einlaßkanal 8 jedes Zylinders 1, wobei vor dem Eintritt in den Ein
laßkanal 8 eine Drossel 28 mit definiertem Strömungsquerschnitt angeordnet sein kann.
Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 kann kleiner dimensioniert sein, als die erste
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15, da sie nur im Bereich des Leerlaufes der Brennkraftmaschi
ne aktiviert wird. Während dem Leerlaufbetrieb ist die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15
deaktiviert.
Außerhalb des Leerlaufbereiches, also im Teillast- und Vollastbereich, wird dagegen die erste
Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 aktiviert und die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19
ausgeschaltet. Es erfolgt somit nur mehr indirekte Kraftstoffeinspritzung in die Einlaßkanäle
7, 8.
Im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich wird somit der Motor durch die zweite Kraftstoff
einspritzeinrichtung 19 geschichtet und mager (λ < 1), im übrigen Betriebsbereich dagegen
durch die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 mit einem stöchiometrischen Verhältnis von
λ = 1 oder fett (λ < 1) mit hoher Abgasrückführung betrieben. Dadurch lassen sich Zyklus
verbräuche, wie bei einer konventionellen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine erzielen,
ohne deren Nachteile, wie hohe Herstellkosten und aufwendige Abgasnachbehandlung in
Kauf nehmen zu müssen.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der nur bei einem Teil der Zylinder 1
eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen ist. Im Leerlaufbetrieb werden nur
Zylinder 1 gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 15 ein
mündet. Die übrigen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch läßt sich eine weitere Vermin
derung der Emissionen und des Kraftstoffiverbrauches im Leerlaufbereich erzielen. Außerdem
können Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 15 eingespart werden.
Claims (10)
1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest zwei Einlaßkanälen
(7, 8) pro Zylinder (1), von denen einer als Neutralkanal und der andere vorzugsweise
als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise ein Absperror
gan (10) angeordnet ist, und wobei eine erste Einspritzvorrichtung (15) zur indirekten
Kraftstoffeinspritzung in beide Einlaßkanäle (7, 8) einmündet, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum (6) mündende Kraftstoffeinspritzvor
richtung (19) zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung
(19a) der zweiten Kraftstoffeinspritzung (19) seitlich in einer dachförmigen Brennraum
deckfläche (5) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) für kleinere Kraftstoffmengen ausgelegt ist als die er
ste Kraftstoffeinspritzvorrichtung (15).
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Einspritzvorrichtung (19) - in Richtung der Motorlängsachse gesehen - auf
der der Zylinderkopfdichtebene (18) zugewandten Seite der Einlaßkanäle (7, 8) angeord
net ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren Zylindern, da
durch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) nur bei einem
Zylinder bzw. einer Gruppe von Zylindern vorgesehen ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Kraftstoffeinspritzung (19) etwa zur Zylindermitte gerichtet ist und eine un
behinderte direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (6) ermöglicht.
7. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraft
stoffeinspritzung und im Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffein
spritzung erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine im
Leerlaufbereich geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen
stöchiometrisch oder fett betrieben wird,
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, mit Rückführung des Abgases in den Brennraum,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich und im Teil
lastbereich eingeschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 für eine Brennkraftmaschine mit mehreren
Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffein
spritzung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt.
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