DE2528941A1

DE2528941A1 - Brennkraftmaschine mit interner gemischbildung und selbstzuendung

Info

Publication number: DE2528941A1
Application number: DE19752528941
Authority: DE
Inventors: Robert Happel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-06-28
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1977-01-20

Description

Brennkraftmaschine mit interner Gemischbildung und Selbstzündung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit interner Gomisohbildung und Selbst zündung sowie mit iner über eine Wirbelkammer mit dem Zylinderbrennraum in Verbindung stehenden Vorkammer, der eine Einspritzdüse zugeordnet ist.
Bei einer bekannten Brennkraftaschine dieser Art (DT-PS 874 327) soll durch diesen Aufbau ein Betriebsverhalten der Maschine rreicht werden, das die guten Eigenschaften von Vor- und Wirbelkarmerbrennverfahren in ich vereint, so daß sich eine Maschine mit weichem Gang, geringen Ansprüchen an den zur Verbrennung gelangenden Kraftstoff und mit geringen Drosselverlu@ten ergibt.
Eine solche Maschine nun dahingehend weiterzubilden, daß neben diesen Vorteilen eine Verbesserung der Kraftstoffausbrennung bei geringen Schadstoffanteilen und bei Anhebung der Rauchgrenze erreicht wird, liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde.
Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß zur getrennten Kraftstoffversorgung von Vor- und Wirbelkammer letzterer eine gesonderte Einspritzdüse zugeordnet wird und daß in Lastbetrieb bei Einspritzung einer konstanten Kraftstoffmenge in die Wirbelkammer die Leistung durch Veränderung der Vorkammer-Einspritzmenge steuerbar ist. Die getrennte Kraftstoffversorgung von Vor-und Wirbelkammer bringt die Möglichkeit mit sich, im Lastbetrieb eine Stufenverbrennung zu verwirklichen, bei der ein wesentlicher Anteil der Gesamtkraftstoffmenge in die Wirbelkammer eingespritzt wird und dort wegen deren verhältnismäßig kleinen Volumens unter Luftmangel verbrannt wird. Es wird dalit für einen wesentlichen Anteil der Gesamtkraftstoffmenge von den für das Wirbelkammerverfahren charakteristischen Vorteilen 2-brauch gemacht, nämlich der weitgehend rauchfreien Verbrennung im Teillastbersich und der Vermeidung größerer Überströmverluste. Die weiter vorgesehene Einspritzung in die Vorkammer gibt darüber hinaus die Möglichkeit, zu einem günstigen Start- und Leerlaufverhalten der Maschine zu kommen.
Es wird deshalb in Rahmen der Erfindung im Start- und Leerlaufbetrieb bevorzugt lediglich in die Vorkammer eingespritzt.
Für den unteren Teillastbereich erweist sich dann eine Aufteilung der Einspritzmengen dahingehend als zweckmäßig, daß zunächst nahezu die gesamte Kraftstoffmenge in die Wirbelkammer eingespritzt wird und daß, unter Beibehalt einer konstanten Einspritzmenge für die Wirbelkammer, der in die Vorkammer eingespritzte Kraftstoffanteil entsprechend der Laststeigerung gesteigert wird.
Neben der weitgehend rauchfreien Verbrennung in Teillastbereich hat die Einspritzung nahezu der gesamten, für diesen Lastbreich erforderlichen Kraftstoffmenge in die Wirbelkammer zur Folge, das die Verbrennung hier zunächst in wesentlichen unter Luftuangel erfolgt, so daß wegen der reduzierenden Atmosphäre und der dadurch bedingten niedrigen Temperaturen auch die NOxx Bildung unterdrückt wird. Nichtsdestotrotz ergibt sich dabei im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung auch in diesem Lastbereichen eine vollständige Verbrennung, da in aufs des Verbrennungsprozesses der wegen der geringen, in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffmenge zunächst einen hohen Luftüberschuß aufweisende, aus der Yorkawmer überströmende Gasanteil sich mit den Verbrennungsgasen der Wirbelkamier vermischt, so daß inggesamt gesehen eine Verbrennung mit Luftüberschuß erreicht wird.
Der Durchbrennungsgrad ist dabei sehr hoeh, da sich wegen der Wechselwirkung zwischen Wirbelkammer und Vorkammer auch für die Vorkammer sehr günstige Zünd- und Verbrennungsgeschwindigkeiten ergeben. Diese sind allerdings trotz des in der Vorkammer herrschenden Luftüberschusses und der weiter auch gegebenen hohen Temperaturen nicht mit einer, bezogen auf die gesamte Einspritzmenge, entsprechend hohen Stickoxyd-Bildung verbunden, da der gestufte Verbrennungsablauf für die weitere Verbrennung in der Wirbelkammer wie auch im Kolbenbrennraum eine Absenkung der Temperatur unter die für die Stickoxyd-Bildung kritische Grenze bewirkt. Trotz dieser Absenkung der Tenperatur ergibt sich allerdings eine gute Verbrennung, da mit dem Austritt der Brenngase aus der Vorkammer eine zusätzliche Verwirbelung und Aufbereitung des bereits gegebenen Brenngasgemisches verbunden ist. Diese Umstände bedingen eine sehr gute Diffusion und damit eine trotz der niedrigeren Temperatur hohe Verbrennungsgeschwindigkeit sowie eine so gute Durchbrennung, so daß sich trotz der Unterdrückung der Stickoxyd-Bildung in den Abgasen nur geringe Kohlenmonoxyd- und Kohlenwasserstoffanteile ergeben.
Im Hinblick auf die Erreichun6 der vorgeschilderten Ziele erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Vorkan-ereinspritzmenge höchstens 40, insbesondere zwischen 25 und 40* der Gesamteinspritzmenge ausmacht. Weiter erweist es sich im Hinblick auf den angestrebten abgestuften Verbrennungsprozeß als zweckmäßig, wenn die Einspritzung in die Vorkammer gegenüber der Einspritzung in die Wirbelkammer.yerzögert erfolgt. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Einspritzung in die Vorkammer nach Beendigung der Einspritzung in die Wirbelkammer beginnt.
Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren erfindungsgemäßen Einzelheiten an Hand eines Ausführungsb.ispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch den Zylinderkopfbereich einer mit interner Gemischbildung und Selbstzündung arbeitenden Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, bei der im Ubergang von einer Vorkammer zum Zylinderbrennraum eine Wirbelkammer angeordnet ist, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, in der die der Wirbelkammer zugeordnete Einspritzdüse und die Vorkammer gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 1 eine zueinander vertauschte Lage einnehmen, und Fig. 3 einen Schnitt durch ein Verteilerventil, über das die gesonderte Kraftstoffzufuhr zu Vorkammer und Wirbelkammer gesteuert wird.
Die in den Fig. 1 und 2 im Schnitt ausschnittsweise dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 weist einen Kolben 2 auf, der in einem Zylinder 3 geführt ist und der gegenüber dem Zylinderkopf 4 einen volumenveränderlichen Zylinderbrennraum 5 begrenzt. In den Zylinderbrennraum 5 mündet über eine Überströmöffnung 7 eine Wirbelkammer 6 aus, die im Zylinderkopf 4 angeordnet ist und der eine Einspritzdüse 8 zugeordnet ist. Neben der Einspritidüse 8 ist der Wirbelkammer 6 eine Vorkammer 9 zugeordnet, welche mit der Wirbelkammer über einen Überströmkanal 10 in Verbindung steht und welcher eine Glühkrrze 11 und eine gesonderte Einspritzdüse 12 zugeordnet sind. Neben diesen genannten Einrichtungen sind im Zylinderkopf 4, wie durch das Ventil 13 angedeutet, noch wenigstens ein Ein- und ein Auslaßkanal sowie die diesen zugeordneten Ventile angeordnet.
Während bei der Darstellung gemäß Fig. 1 die der Wirbelkammer 6 zugeordnete Einspritzdüse 8 mit ihrer Achse 14 im wesentlichen auf die Überströmöffnung 7 ausgerichtet ist, so daß der Einspritzstrahl der Düse 8 auf den Randbereich der Überströmöffnung 7 der Wirbelkammer 6 gerichtet ist, ist in der Darstellung gemäß Fig. 2 eine solche Lage für den Uberströmkanal 10 vorgesehen, dessen Achse sich mit der Achse der der Vorkammer 9' zugeordneten Einspritzdüse 12' zumindest in Annäherung deckt.
Die Vorkammer 9 weist demgegenüber in der Darstellung gemäß Fig. 1 eine Lage auf, bei der die Achse des Überströmkanales 10 und die hierzu in Flucht liegende Achse der der Vorkammer 9 zugeordneten Einspritzdüse winklig zur Überströmöffnung liegen, wobei der Winkel zwischen den beiden genannten Achsen spitz ist und der Schnittpunkt der beiden Achsen etwa im Mündungsbereich der Überströmöffnung 7 zum Zylinderbrennraum 5 liegt. In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist, analog zu der vorgenommenen Vertauschung, die der Wirbelkammer 6' zugeordnete Einspritzdüse 8' mit zur Überströmöffnung 7' geneigter Achse angeordnet, wobei nunmehr der Schnittpunkt der gemeinsamen Achse vom Überströmkanal 10' und Einspritzdüse 12' mit der Achse der der Wirbel-$ kammer 6' zugeordneten Einspritzdüse 8' im zentralen Bereich der Wirbelkammer 6' liegt.
Während für den Start und den Leerlauf ausschließlich die Vorkammer huber die Einspritzdüse 12 mit Kraftstoff versorgt wird, wird im Lastbetrieb die Masse des Kraftstoffes in die Wirblkammer eingespritzt, und zwar bevorzugt mit über den ganzen Lastbereich konstant bleibender Menge, so daß in die Vorkammer im Lastbereich im wesentlichen bevorzugt ausschließlich nur die Kraftstoffmenge eingespritzt wird, die in Anpassung an die Jeweiligen Lastverhältnisse über der in die Wirbelkammer eingespritzten Grundmenge liegt.
Hierdurch ist für den Lastbetrieb in der Wirbelkammer ein konstantes Luftverhältnis mit x a 0,7 - 0,8 gegeben, während sich in der Vorkammer,ausgehend vom unteren Teillastbereich, das Luftverhältnis verändert, und zwar, entsprechend dem mit zunehmender Last größer werdenden, in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffanteil verringert. Hierbei kann für den unteren Lastbereich in der Vorkammer ein Luftverhältnis # # 2,4 und für den Vollastbereich ein Luftverhältnis X aS 1,5 gegeben sein. Bezogen auf die Gesamtmaschine und die Gesamtladung bedeutet dies, daß das Luftverhältnis mit zunehmender Last kleiner wird, wobei im unteren Teillastbereich mit dem für selbstzündende Brennkraftmaschinen bereits kleinen Luftverhältnis zu # 1,2 bis 1,3 gefahren werden kann, während für den Vollastbetrieb ein Luftverhältnis A ts 1,0 bis 1,1 erreichbar ist.
Die im Hinblick auf die vorgeschilderte Arbeitsweise notwendige Aufteilung der dem Zylinder der Brennkraftmaschine zugefUhrten Kraftstoffmenge kann erfindungsgemäß über ein Verteilerventil erfolgen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Das hier gezeigte Verteilerventil 15 weist einen der genannten Einspritzpumpe zugeordneten Druckleitungsanschluß 16 auf, von dem der Kraftstoff über einen Steuerkolben 17 entweder über die Leitung 18 dem der Wirbelkammer zugeordneten Einspritzventil oder über die Leitung 19 dem der Vorkammer zugeordneten Einspritzventil zugeleitet wird. Der Steuerkolben ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Steuermagneten 20 verstellbar, und es sind im Übergang zu den Leitungen 18 und 19 jeweils Druckventile 21, 22 mit Druckentlastungskolben vorgesehen. Da wie vorstehend dargelegt, die Kraftstoffaufteilung auf Vorkammer und Wirbelkammer lastabhängig erfolgt, kann der Steuermagnet, und damit das Verteilerventil 19 in Abhängigkeit von der Regelstangenstellung der hier nicht dargestellten Einspritzpumpe angesteuert werden, über die auch die Kraftstoffversorgung erfolgt. Neben weiteren hier nicht näher erläuterten Einzelheiten umfaßt das Verteilerventil 15 auch einen Leckage anschluß 23.

Claims

Ansprüche

1. Brennkraftmaschine mit interner Gemischbildung und Selbstzündung sowie mit einer über eine Wirbelkammer mit dem Zylinderbrennraum in Verbindung stehenden Vorkammer, der eine Einspritzdüse zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur getrennten Kraftstoffversorgung von Vorkammer (9 bzw. 9') und Wirbelkammer (6 bzw. 6') letzterer eine gesonderte Einspritzdüse (8 bzw. 8') zugeordnet ist und das im Lastbetrieb bei Einspritzung einer konstanten Kraftstoffmenge in die Wirbelkammer (6 bzw. 6') die Leistung durch Veränderung der Vorkammereinspritzmenge steuerbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammereinspritzmenge höchst@ns 40%, insbesondere aber zwischen 25 und 40% der Gesamteinspritzmenge ausmacht.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung in die Vorkammer (9 bzw. 9') gegenüber der Einspritzung in die Wirbelkammer (6 bzw. 6') verzögert erfolgt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung in die Vorkammer (9, 9') nach Beendigung der Einspritzung in die Wirbelkammer (6, 6') erfolgt

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Startbetrieb ausschließlich in die Vorkammer (9, 9') eingespritzt wird.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbetrieb ausschließlich in die Vorkammer (9, 9') eingespritzt wird.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf das Volumen von Vorkammer bzw. Wirbelkammer und die in diese jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge, das Luftkraftstoffverhältnis der Vorkammer in Leerlaufbetrieb etwa dem Luftkrafts@@ffverhältnis der Wirbelkammer ii Lastbetrieb entspricht.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf das Volumen der Vorkammer bzw. Wirbelkammer und die in diese jewils einer spritzt. Kraftstoffmenge, das Luftkraftstoffverhältnis in der Vorkammer mit steigender Last kleiner wird.

9. Brennkraftmaschine nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf die Gesamtladung, das Luftkraftstoffverhältnis Mit zunehmender Last fällt.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Kraftstoffmenge auf Vor- und Wirbelkammer über ein Verteilerventil (15) erfolgt.

L e e r s e i t e