DE2529074C2 - Vorrichtung zur Gemischzonenbildung im Verdichtungsraum eines Viertakt-Hubkolbenmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Motoren mit Vorrichtungen zur Bildung unterschiedlich mit Brennstoff angereicherter Gemischzonen im aufgeteilten Verdichtungsraum zeichnen sich durch geringen Schadstoffanteil in den Abgasen aus und haben in allen Lastbereichen und den instationären Phasen ein stabiles Betriebsverhalten. Diesen Vorteilen steht der Nachteil hohen Brennstoffverbrauchs gegenüber, denn die Strömungs- und Wärmeverluste sind bei diesen Motoren beträchtlich. Mit nicht aufgeteiltem Verdichtungsraum ausgeführte Motoren und Gemischzonen bildenden Vorrichtungen

ίο zeichnen sich durch geringen spezifischen Teillastverbrauch und niederen Schadstoffanteil in den Abgaben aus. Nicht gelungen ist es jedoch bisher, das Betriebsverhalten dieser Motoren bei veränderten Drehzahlen und Lastpunkten und insbesondere in den instationären Phasen stabil zu halten.

Bei einigen bekannten Brennkraftmaschinen dieser Bauart ist es möglich, Gemischaufbereitung und Ladungsschichtung zu erzielen. Die konventionelle Ventilanordnung bei diesen Brennkraftmaschinen und drallerzeugenden Mittel lassen im Hub- und Verdichtungsraum eine turbulente Gasströmung entstehen. Die turbulente Gasströmung und die Anordnung der gemischbildenden Düsen ermöglicht es jedoch nicht, eine bestimmte Zone im Hub- und Verdichtungsraum mit Brennstoff so anzureichern, daß eine von der übrigen Luft abgegrenzte Gemischzone entsteht, die bis zum Verbrennungsende als heiße Gaszone, die von einem Luftring umhüllt ist, erhalten bleibt. Bei der in der DE-OS 24 01 599 dargestellten Brennkraftmaschine (Oberbegriff) strömt ein Luft-Brennstoffgemisch aus einem Ringspalt über ein koaxial angeordnetes Ablenkglied in den Verdichtungsraum ein. Das Teilgemisch vermischt sich völlig mit dem über das Einlaßventil turbulent einströmenden Teilgemisch. Infolge der

Durchmischung von erstem und zweitem Teilgemisch und der gleichartigen Zusammensetzung der einzelnen Gemische kommt es zu keine:- Ladungsschichtung. Strömt nur durch den erwähnten Ringspalt Gemisch ein, dann verteilt es sich auf den gesamten Hub- und Verdichtungsraum oder vermischt sich mit der über das Einlaßventil turbulent einströmenden Luft, ohne daß es zu einer Gemischzonenbildung kommt.

Die US-PS 18 28 792 beschreibt eine Brennkraftmaschine, bei der Luft oder ein Teilgemisch über ein koaxial angeordnetes Tellerventil ohne Rotation in den Zylinder einströmt. Ein weiteres, im Einlaßventil vorgesehenes Tellerventil ermöglicht die Zuführung eines zweiten Teilgemisches. Das aus dem Ringspalt ausströmende Teilgemisch vermischt sich infolge der im

so Ventiltellerbereich sehr starken Gasturbulenz mit dem ersten Teilgemisch. Eine Ladungsschichtung kommt auch bei dieser Brennkraftmaschine nicht zustande. Auch die US-PS 17 86 946 beschreibt eine Brennkraftmaschine, bei der Luft über ein Ventil ohne Rotation in den Zylinder einströmt. Mittels der im Einlaßventil vorgesehenen Düsen wird Brennstoff in die, in den Zylinder turbulent einströmende Luft eingebracht. Auch bei dieser Brennkraftmaschine kann es zu keiner Ladungsschichtung kommen, weil sich Luft und Brennstoff völlig unkontrolliert vermischt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gemischbildungseinrichtung so zu gestalten und den Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang so zu steuern, daß die im wesentlichen homogene Gemischzone und die nach der Verbrennung heißen Gase von einem Luftmantel eingehüllt werden, um den Wärmeübergang von den heißen Gasen auf den Zylinder, Zylinderkopf und Kolben zu reduzieren und somit den

thermischen Wirkungsgrad anzuheben.

Durch die Bildung und Verbrennung einer kraftstoffarmen Gemischzone, deren Volumen und Luftzahl variiert werden kann und die mittels wenigstens einer zündfähigen Gemischzone gezündet wird, ergeben sich bezüglich des thermischen Wirkungsgrads und der Schadstoffbildung (Stickoxide und Kohlenmonoxid) Vorteile.

Ein weiterer Vorteil bezüglich des thermischen Wirkungsgrads ergibt sich durch die Möglichkeit, den Motor mit relativ hoher Verdichtung betreiben und Brennstoffe ohne hohe Oktanzahl verwenden zu können. Das stabile Betriebsverhalten des Motors bei allen Betriebszuständen ist eine weitere Verbesserung.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen Maßnahmen gelöst

Luft strömt durch den Einlaßkanal in den Zylinder, die durch im Bereich des Einlaßventiltellers vorgesehene, bewegliche Leitschaufeln in Rotation u-a die Zylinderlängsachse versetzt wird. Werden, wie bei der bevorzugten Ausgestaltung, die Ventile koaxial mit im Bereich der Zylinderlängsachse verlaufenden Längsachsen angeordnet, so entsteht im Verdichtungs- und Hubraum während des Verdichtungstakts, Expansionstakts und Ausströmtakts eine im wesentlichen von Besonderheiten freie Gasströmung um die Zylinderlängsachse. Durch Änderung des Leitschaufelanstellwinkels läßt sich der Eintrittsdrall der Luft variieren und die in den Zylinder einströmende Luft drosseln. Während der Zylinderfüllung überlagert die einströmende Luft die bereits im Zylinder rotierende mit nach unten gerichteter Sekundärbewegung, die bei beginnender Verdichtung und bei gleichbleibender Drehrichtung der Luft wechselt. Unter leichter Zunahme der Gasgeschwindigkeit im Zylinder und ohne daß die Gasteilchenbahnen ihre Positionen zueinander wesentlich verändern, strömt die Luft während des Verdichtungstakts rotierend vom Hubraum in den Verdichtungsraum. Für die Gemisch· und Schichtbildung stellt das rotierende und im wesentlichen turbulenzfrei in den Verdichtungsraum einströmende Gas eine wesentliche Komponente dar.

Die Gemischbildung erfolgt mittels der im unteren Bereich des Verdichtungsraums und im Bereich der Zylinderlängsachse vorgesehenen Düsen, die im wesentliehen während des Verdichtungstakts Brennstoffstrahlen mit im wesentlichen quer zur Zylinderlängsachse verlaufenden Richtungen bilden. Durch die erwähnte Gasströmung und deren Primär- und Sekundärbewegung werden die Brennstoffstrahlen, in achssenkrechtem Querschnitt gesehen, abgelenkt und abgebaut. Im oberen Bereich des Hub- und/oder Verdichtungsraums entstehen wendeiförmige, mit zunehmender Verdichtung ineinander übergehende Gemischzon'in, die bei Gemischbildungsende eine zusammenhängende Gemischzone bilden. Bestehen die Brennstoffstrahlen aus gasförmigem Brennstoff, so erfolgt ihre Auflösung unter Bildung von Fahnen. Werden Brennstofftröpfchen eingespritzt, so geht der Fahnenbildung die Verdampfung dieser Tröpfchen infolge relativer Bewegung zwischen Tropfen und Luft und Wärmeübergang zwischen Luft und Brennstoff voraus. Die gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs quer zur Zylinderlängsachse bis zu einer Kreislinie, deren Radius kleiner als die des Zylinders ist, und die Bildung einer kleinvolumigen (,5 Übergangszone zwischen Gemisch und Luft erfordern besonders ausgebildete Biennstoffstrahlen. Unter der Wirkung der auf die Strahlen einwirkenden aerodynamischen Kräfte beschreiben die Strahlen Kurvenbahnen. Die Formen der Kurvenbahnen der Brennstoffstrahlen lassen sich durch Einstellung von die Brennstoffstrahlen betreffende Betriebsgrößen wie: Einspritzdruck, Einspritzwinkel in bezug auf die Zylinderlängs- und Querachse, Düsenquerschnitt, Düsenkegel, Temperatur, Tropfengröße, Einspritzdauer über K.W.⁰, Siedekurve des Brennstoffs und Einblasdruck, Temperatur, Einblaswinkel in bezug auf die Zylinderlängs- und Querachse, Düsenquerschnitt, Düsenkegel (Strahlwinkel) und Gasdichte bei gasförmiger Brennstoffeinbringung und deren Abstimmung auf die den Luftwirbel betreffenden Betriebsgrößen wie. Rotationsgeschwindigkeit, Gasdichte, Temperatur, Sekundärgeschwindigkeit, Druckverteilung und Geschwindigkeitsverteilung im Luftwirbel so gestalten, daß die Luftzahl quer zur Zylinderlängsachse im wesentlichen konstant ist und die Gemischzone von einem Luftring eingeschlossen wird. Bei flüssiger Brennstoffeinbringung ist auch noch die sich während der Verdichtung ändernde Verdampfungsgeschwindigkeit der Tropfen, infolge steigender Gasdichte und Gastemperatur zu berücksichtigen. Die an ihren Enden auf kreisbahnähnlichen Kurvenbahnen liegenden Strahlen bewirken bis zu einer bestimmten Kreislinie im wesentlichen gleichmäßige Brennstoffverteilung, außerhalb der nur eine sehr schmale Übergangszone das Gemisch von der Luft trennt.

Damit sich bis zum Zeitpunkt einsetzender Verbrennung im Hub- und Verdichtungsraum eine Gemischzone bestimmter Form und bestimmter Eigenschaften bildet, werden einige der genannten Betriebsgrößen über der Zeit und über einen einzelnen Einspritz/Einblasvorgang gesteuert. Bei der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich dieser Vorgang im wesentlichen vom Füllungstaktende bis zum Zündzeitpunkt. Während der Verdichtung ändern sich infolge der Volumenänderung, die sich durch die ungleichförmige Kolbenbewegung ergibt, die den Luftwirbel betreffenden Betriebsgrößen. Die Gasdichte und Gastemperatur der die Brennstoffstrahlen im oberen Bereich des Hubraums und/oder des Verdichtungsraums tangierenden Luft nimmt während der Verdichtung und Gemischbildung ungleichförmig zu. Die Formen der Brennstoffbedarfskennlinien werden im wesentlichen durch die erwähnten, während der Gemischbildung sich ändernden Betriebsgrößen bestimmt.

Korrigiert wird die Brennstofförderkennlinie zur Bildung einer oder mehrerer zündfähigen Gemischzonen. Diese zündfähigen Gemischzonen können sich innerhalb der Grundgemischzone an der Grundgemischzone und in oder im Bereich der Kolbenaussparung befinden. Bezüglich der Zündgemischbildung ergeben sich mehrere Möglichkeiten, die einzeln oder miteinander kombiniert zur Anwendung kommen können, wobei der Aggregatzustand des Brennstoffs entsprechend dem Brennstoff zur Grundgemischbildung flüssig oder gasförmig sein kann.

Die zündfähige Gemischzone kann wie das im Bereich des Kolbenbodens rotierende Grundgemisch gebildet werden, das nicht nur durch Luftverteilung, sondern auch durch Wandauftragung des Brennstoffs entsteht (sofern der Brennstoff flüssig eingebracht wird), denn in der Endphase der Gemischbildung berühren die Brennstoffstrahlen den parabolisch geformten Kolbenboden. Das äußere Strahlende berührt den Kolbenboden zuerst und wandert auf einer Kurve nach innen, wobei es zweckmäßig sein kann, dieses Nachinnenwandern des Strahlendes durch Korrektur des Düsenauer-

Schnitts während der Brennstoffwandauftragung oder Kolbenbodenwandberührung bei gasförmiger Brennstoffeinblasung zu verlangsamen, um möglichst viel der im Kolbenbodenbereich rotierenden Luft mit Brennstoff anzureichern. Der Brennstoff wird, gelangt er in flüssiger Form auf den Kolbenboden, von dem Luftwirbel abgetragen. Ist der Brennstoffstrahl gasförmig, so vermischt sich der Brennstoff mit der im inneren Kolbenbodenbereich strömenden Luft. Die Gasströmung führt die zündfähige Gemischzone in den Bereich der seitlich/oberhalb der Düse vorgesehenen Elektroden. Um die Zündung des Grundgemisches bei jedem Lastpunkt sicher einzuleiten, ist es zweckmäßig, bei Beginn und am Ende der Gemischbildung zündfähige Gemischzonen zu bilden und Elektroden am Umfang des Düsenträgers im Ventiltellerbereich und im Bereich der Brennstoffdüsen vorzusehen.

Bei beginnender Gemischbildung kann unter Berücksichtigung der den Wirbel und den Brennstoff betreffenden Betriebsgrößen eine scheiben- oder ringförmige Zündgemischzone gebildet werden. Während der Verdichtung wird diese zündfähige Gemischzone in den Bereich der im Ventiltellerbereich vorgesehenen Elektroden gedrängt.

Eine weitere Möglichkeit der Zündgemischbildung besteht darin, kurz vor der Zündung auf dem Kolbenboden eine zündfähige Gemischwolke zu bilden, indem unter Berücksichtigung der jeweils einspielenden Betriebsgrößen Brennstoff auf einen Löffel auftrifft. Dieser kann aus einem auf dem Kolbenboden und im Bereich der Kolbenaussparung bzw. des Düsenträgers angebrachten Blech mit einer Mulde bestehen. Die Löffelhöhe und dessen Lage zu einer Düse wird so gewählt, daß er den zuletzt aus der Düse, wenige Kurbelwinkelgrade vor der Zündung, ausströmenden Brennstoff einfängt. Die Gasströmung führt die sich kurz vor der Zündung im Bereich des Löffels bildende, zündfähige Gemischwolke in den Bereich der im Düsenbereich vorgesehenen Elektroden.

Eine weitere Möglichkeit der Zündgemischbildung besteht darin. Brennstoff verstärkt auf den Kolbenboden und die Kolbenaussparungswandung aufzubringen und durch die im Düsenbereich vorgesehenen Elektroden zu zünden, wobei Kolbenbodenform, Kolbenaussparungsform, Einspritzende oder Einblasende, Zündzeitpunkt und die Lage der Düsen und Elektroden aufeinander abzustimmen sind. Die Kolbenaussparung kann hierbei im wesentlichen zylindrisch geformt sein.

Eine im wesentlichen kugelförmig ausgebildete Kolbenaussparung, die durch den Düsenträger im wesentlichen geschlossen wird, wenn sich der Kolben im Bereich oberer Toilage bewegt, bi'idei eine Kammer. Der 5—50 Kurbelwinkelgrade vor dem Zündzeitpunkt in die Kammer eingebrachte Brennstoff wird durch die Elektroden im Düsenbereich gezündet Die aus dem Spalt zwischen Düsenträger und Kolbenaussparung ausströmenden, brennenden Gase können die Verbrennung des Grundgemisches infolge ihrer hohen Geschwindigkeit und der damit im Grundgemisch ausgelösten Verwirbelung im inneren Bereich des Verdichtungsraumes beschleunigen.

Alle diese Maßnahmen machen eine genaue Dosierung des Brennstoffs, insbesondere bei Einspritzende oder Einblasende erforderlich.

Die Brennstoffpumpenförderkennlinien lassen sich durch entsprechende Gestaltung eines in Richtung Rotationsachse verschiebbaren und auf den Kolben der Einspritzpumpe wirkenden Raumnockens und dessen Einstellung so formen, daß sie den charakteristischen, auch durch die jeweiligen Lastpunkte des Motors bestimmten Brennstoffbedai fskennlinien entsprechen und somit eine in Richtung Zylinderlängsachse im wesentlichen konstante Luftzahl erzielt wird.

Neben der Anpassung der Brennstoffpumpenförderkennlinien an die Brennstoffbedarfskennlinien des Motors, zur Bildung des Grundgemisches und der zündfähigen Gemischzonen unter Berücksichtigung der

ίο sich über den Betriebsbereich und während der Gemischbildung sich verändernden, den Luftwirbel wie auch den Brennstoff betreffenden Betriebsgrößen, ist die Regelung der Brennstoffdüsenquerschnitte über den Betriebsbereich des Motors und während jedes einzelnen Gemischbildungsvorgangs vorzunehmen.

Es ist weiter wichtig, während der Einspritzung/Einblasung die Querschnitte der Brennstoffdüsen, unter Berücksichtigung der sich während der Gemischbildung ändernden, den Luftwirbel betreffenden Betriebsgrößen und der sich während der Gemischbildung ebenfalls ändernden, den Brennstoff betreffenden Betriebsgrößen, so zu verändern, daß die Formen der Strahlen im wesentlichen vom Beginn der Einspritzung/Einblasung bis zu deren Ende im wesentlichen gleich bleiben und eine im wesentlichen rotationssymetrische Grundgemischzone, die von einem Luftring eingeschlossen ist, entsteht, in der der Brennstoff in Richtung Zylinderlängs- und Zylinderquerachse im wesentlichen gleichmäßig verteilt ist. Weiter ist die Querschnittsveränderung der Brennstoffdüsen zur Erzielung einer bestimmten Luftzahl in der Grundgemischzone in Richtung Zylinderlängs- und Zylinderquerachse erforderlich.

Die Veränderung der Düsenquerschnitte während der Gemischbildung erfolgt mittels Düsennadeln, auf die

r, eine in dem Düsenträger verlaufende Steuernadel wirkt. Ein in Rotationsachsenrichtung verstellbarer Raumnokken betätigt die Steuernadel. Die Einstellung dieses Nockens erfolgt durch mechanische Stellglieder über die Einspritzpumpe und durch ein Steuergerät. Ein-

Ki spritzpumpenraumnocken und Raumnocken zur Verstellung der Düsennadeln sind durch Antriebselemente so miteinander verbunden, daß sie mit gleicher Drehzahl rotieren. Der Winkelbereich und die Winkellagen der beiden Raumnocken entsprechen sich im wesentlichen. Bei beginnender Brennstoff-Förderung öffnen die Düsennadeln die Düsen und werden von den Düsennadeln nach Gemischbildungsende wieder geschlossen. Die rotationsaxiale Verstellung der beiden Raumnocken verläuft im wesentlichen parallel.

Zur Feineinstellung der Düsennadeln ist ein zweites, auf das erste arbeitendes Steuergerät vorgesehen, das vor. einem im Bereich des Yentüsitzringes in den Abgaskanal hineinragenden Sensor elektrische Signale empfängt Die Sensorsignale werden zur Feststellung , der mittleren Abgastemperatur im Ventilsitzringbereich bzw. des Kernzonenradius herangezogen.

Mit der mechanisch gesteuerten Einspritzpumpe sind der die Düsennadeln verstellende Raumnocken und die beweglichen Leitschaufeln gekoppelt, deren Feineinstel-

··■ lung bezüglich ihres Anstellwinkels mittels eines weiteren Sensors im Auslaßkanal und Auslaßventilschaftbereich und weiterer mechanischer Stellglieder, zur Einhaltung bestimmter, den Luftwirbel betreffenden Betriebsgrößen, erfolgt

f In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel näher erläutert Darin zeigt

F i g. 1 einen Zylinderkopf mit Zylinder und Kolben. Kolbenstellung ca. 50° v.o.T,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der aus den Düsen austretenden Brennstoffstrahlen.

Im Zylinderkopf 1 ist ein zur Zylinderlängsachse koaxiales, inneres Ventil 2, das als Einlaßventil wirkt und ein dies umgebendes, hülsenförmiges, zur Zylinderlängsachse ebenfalls koaxial angeordnetes und als Auslaßventil wirkendes Ventil 3 vorgesehen. Das innere Ventil 2, das aus einem Schaft 4 und einem Ventilteller 5 besteht, ist ebenfalls hohl und trägt den in das Ventil 2 eingeschraubten, sich in den unteren Bereich des Verdichtungsraums erstreckenden und im Bereich der Zylinderlängsachse verlaufenden Düsenträger 6. Außer der Brennstoffleitung verläuft in dem Düsenträger 6 ein elektrischer, nicht dargestellter Leiter, der den Zündstrom zu der im Düsenträger vorgesehenen Zündeinrichtung leitet. Weiter verläuft in dem Düsenträger 6 eine nicht dargestellte Steuernadel. Diese stellt die Verbindung her zwischen einem Raumnocken und den in den Düsen 10 vorgesehenen Düsennadeln. Um den Dosenträger 6 im Bereich des Verdichtungsraums vor Überhitzung zu schützen, durchziehen den Rohrmantel Bohrungen, durch die Kühlflüssigkeit strömt. Die Brennstoffdüsen 10 sind im Endbereich des Düsenträgers 6 mit im wesentlichen radial zur Zylinderwand und im wesentlichen quer zur Zylinderlängsachse verlaufenden Düsenbohrungen installiert. Die Lage der Elektroden 11 am Düsenträger 6 richtet sich nach dem Niveau, auf dem sich das Zündgemisch zum Zeitpunkt des Funkenüberschlags befindet. Brennstoff, Zündstrom, Strom für ein Thermoelement, Kühlflüssigkeit, Heizflüssigkeit und mechanische Arbeit für die Steuernadelbetätigung wird mittels beweglicher Leitungen und mechanischer Elemente dem Düsenträger 6 und dem auf dem Ventilschaftende montierten Raumnocken zugeführt.

Das äußere Ventil 3, im Zylinderkopf 1 in zwei Bohrungen beweglich gelagert, schließt den im Zylinderkopf sprialförmig verlaufenden, das Auslaßventil 3 ringförmig umschließenden Auslaßkanal 13 taktabhängig, wobei es auf dem im Zylinderkopf 1 vorgesehenen Ventilsitzring 14 aufliegt. Der Auslaßkanal 13 verläuft im unteren Zylinderkopfbereich. Zwischen dem im mittleren Zylinderkopfbereich verlaufenden Einlaßkanal 15 und dem Auslaßkanal 13 ist der Zylinderkopf 1 zur beweglichen Lagerung des äußeren Ventils 3 aufgebohrt. Das äußere Ventil 3 dient im Verdichtungsraumbereich auch der Bildung des Aus- und Einlaßkanals, und ist durch eine auf dem Ventilsitzring des Auslaßventils aufgeschweißte, rohrförmige Schürze 18 gegen die heißen Abgase geschützt In dem das die beiden Gaskanäle voneinander trennende und das äußere Ventil lagernden Zylinderkopfteil ist ein Dichtring und ein Schmierring vorgesehen.

Der Einlaßkanal 15 umschließt das äußere Ventil 3 ringförmig. Öffnungen im Schaft des äußeren Ventils und im Bereich des Einlaßkanals lassen das für die Verbrennung erforderliche Gas in das hakenförmig ausgebildete äußere Ventil 3 einströmen. Von dem inneren Ventil 2 wird das äußere Ventil 3, das auch den Endbereich des Gaszuführungskanals bildet, taktabhängig geschlossen. Das äußere Ventil 3 ist im Endteil der in den Verdichtungsraum mündet als Ventilsitzring für sich und das innere Ventil 2 ausgebildet

Oberhalb des Einlaßkanals ist das äußere Ventil 3 im Zylinderkopf 1 nochmals beweglich gelagert Im oberen Bereich des Ventilinnern ist ein Einsatz 20 vorgesehen, der in das äußere Ventil 3 so eingepaßt ist, daß dies an Axialbewegungen in Richtung Längsachse nicht gehindert wird, und das Ventil 3 gegen den als Einlaßkanal wirkenden Teil schließt. Fixiert wird der Einsatz durch am Zylinderkopf befestigte Halterungen, die sich über den Schaft des äußeren Ventils 3 zu dem Einsatz 20 erstrecken. Um den Ventilverschleiß an beiden Ventilen zu reduzieren, ist es ausreichend, das äußere Ventil 3 intermittierend um die Längsachse zu drehen. Auf dem Einsatz 20 liegen die dem inneren Ventil 2 zugeordneten Ventilfedern 21 auf und wirken über einen Ventilfederteller auf den Ventilschaft. Die dem äußeren Ventil 3 zugeordneten Ventilfedern 22 liegen direkt auf dem Zylinderkopf 1 auf und wirken über Verbindungselemente, die am rohrförmigen Schaftende des äußeren Ventils 3 vorgesehen sind, ai\ dieses.

In dem Einsatz 20 sind zwei Hülsen 25,26 vorgesehen, deren äußere 25 Bestandteil des Einsatzes 20 ist und sich vom Einsatz 20 in den Bereich des Ventiiteliers 5 erstreckt. Diese Hülse trägt bewegliche Leitschaufeln 27. Die innere Hülse 26 ist drehbar in der äußeren gelagert und erstreckt sich von den Leitschaufeln 27 bi* über den Einsatz 20. In der inneren Hülse 26 ist das innere Ventil 2 beweglich gelagert, wobei die Lagerung von innerer Hülse 26 und innerem Ventil 2 im wesentlichen spielfrei erfolgt. Auf die Ventile 2, 3 bzw. die an den rohrförmigen Schaftenden vorgesehenen Verbindungselemente kann die Nockenwelle direkt oder über Kipphebel wirken, wobei es zweckmäßig ist, das äußere Ventil 3 mit einer Ventildrehvorrichtung auszustatten.

Der Kolbenboden 30 ist im wesentlichen parabolisch geformt und hat eine im Längsachsbereich eingearbeitete Kolbenaussparung 31. Bewegt sich der Kolben 32 im Bereich oberer Totpunktlage, so stülpt sich der Kolben 32 über den Düsenträger 6. Auf dem Kolbenboden 30 am Kolbenaussparungsrand ist ein in Richtung Ventile weisender Löffel 35 vorgesehen. Vom oberen Ende des Löffels kann ein Kanal zur Kolbenaussparung 31 verlaufen. Das Einlaßventil 2 darf keine Drehbewegungen ausführen, damit sich Löffel 35 und Düse 10 zeitweise gegenüberliegen.

Der Düsenträger 6 ist im Verdichtungsraumbereich im wesentlichen rotationssymmetrisch geformt und in das Einlaßventil 2 eingeschraubt. Im Endbereich und am Umfang des Düsenträgers 6 sind die einzelnen Düsen installiert. Es ist zweckmäßig, sowohl am Umfang im Düsenbereich als auch im Ventiltellerbereich des Düsenträgers 6 die Elektroden 11 zur Zündfunkenbildung vorzusehen.

Die Zylinderkopfkontur zwischen Ventilsitzring 14 und Zylinder ist im wesentlichen parabolisch ausgebildet Der Radius des Ventilsitzringes 14 ist relativ groß. Geringe mittlere Ventilbeschleunigung und wenige mm Hub sind ausreichend, um das Auslaßventil 3 und das an die Öffnungsbewegung des Auslaßventils 3 gebundene Einlaßventil 2 für ausreichende Auslaßzeitquerschnitte anzuheben. Wird bei sich schließendem Auslaßventil 3 das Einlaßventil 2 durch entsprechende Nockenform weiter angehoben, ergeben sich durch die sich in entgegengesetzter Richtung bewegenden Ventile günstige Einlaßzeitquerschnitte.

Im Auslaßkanal 13 und im Bereich des Ventilsitzringes 14 sind Mischbleche 40 vorgesehen, die im einzelnen wenige Millimeter in den Auslaß kanal hineinreichende, hitzeunempfindliche und auf der Kanalaußenseite bzw. -Unterseite kreisförmig verlaufende dünne Bleche sein können.

Die innere der beiden in dem Einsatz 20 vorgesehenen Hülsen, also Hülse 26, ragt über den Einsatz 20 hinaus und wird von einem elektrisch/mechanischen

Steuergerät gedreht. Am unteren Ende dieser Hülse wird die Drehbewegung mittels einer Verzahnung auf die Leitschaufeln 27, deren Wellen im inneren Bereich stimverzahnt sind, übertragen. Wie erwähnt, erfolgt die Feineinstellung der Leitschaufelanstellwinkel über den erwähnten zweiten Sensor bzw. über ein Steuergerät.

Es sind zahlreiche Ausgestaltungen denkbar. Hierbei wird auf die Unteransprüche verwiesen. Eine wichtige dieser zusätzlichen Maßnahmen besteht darin, daß man nicht nur eine, sondern mehrere Brennstoffdüsen vorsieht. Dabei können diese Düsen — in einem Querschnitt durch die Zylinderlängsachse gesehen — durchaus derart angeordnet sein, daß sie in verschiedene radiale Richtungen weisen. Auch kann die einzelne Düse derart gerichtet sein, daß der aus ihr austretende Brennstoffstrah! zunächst der Drehrichtung des Wirbels gleich oder entgegengerichtet ist. Zwei entgegengesetzt angeordnete Düsen (10) für den Bereich um den Düsenträger (6) und zwei um 90° versetzt angeordnete Düsen (10) zur Bildung des Gemischzonenaußenbereichs können die Brennstoffverteilung verbessern. Die Düsenquerschnitte sind dann jeweils paarweise gleich, wobei die Düsenquerschnitte der für den Gemischzonenaußenbereich vorgesehenen Düsen größer sind als die Düsenquerschnitte der für Gemischzoneninnenbereich ij vergesehenen Düsen. Die zweckmäßigste Düsenanzahl (10) bestimmt sich auch nach dem Strahlwinkel und dem Winkel, unter dem die Brennstoffstrahlen von der Luft angeströmt werden.

Bei gasförmiger Brennstoffeinbringung kann die Mulde des auf dem Kolbenboden vorgesehenen Löffels 35 durch einen wendelförmig von dem Löffel 35 in die Kolbenaussparung 31 verlaufenden Kanal ersetzt werden, wobei das sich in der Kolbenaussparung 31 bildende zündfähige Gemisch durch die an der Stirnseite des Düsenträgers 6 vorgesehenen Elektroden im Düsenbereich gezündet wird. Die Kolbenaussparung 31 kann hierbei im wesentlichen zylindrisch oder kugelförmig ausgebildet sein.

Eine weitere Möglichkeit der Zündgemischbildung besteht darin, Brennstoff mittels einer an der Stirnseite des Düsenträgers 6 vorgesehenen Düse in die Kolbenaussparung 31 zu spritzen oder zu blasen, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung im wesentlichen zylindrisch oder kugelförmig ausgebildet ist und dann durch die im Düsenträgerstirnbereich vorgesehenen Elektroden 11 zu zünden.

Es kann die Wirksamkeit des Zündfunkens gesteigert werden, wenn man den Löffel 35 als zweite Elektrode ausbildet und außerdem Kolben, Pleuelstange und Motorgehäuse elektrisch leitend miteinander verbindet

Bei flüssiger Brennstoffeinbringung ist es zweckmäßig, den Dosenträger 6 außen zu isolieren. Äußere Isolation und Flüssigkeitskühlung des Düsenträgers 6 sind ausreichende Maßnahmen, Dampfblasenbildung in der Brennstoffleitung vor den Düsen 10 zu verhindern.

Es ist außerdem zweckmäßig, den v'entilsitzring 14 für das Auslaßventil 3 und den Ventilteller 5 so auszubilden, daß die Ventiltellerunterseite ohne wesentliche Stufenbildung in die Kontur des Zylinderkopfes 1 übergeht

Anstelle der flüssigen Brennstoffeinbringung kann es zweckmäßig sein, den Brennstoff in Gasform einzublasen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise in dem Düsenträger 6 eine kleinvolumige und großflächige Kammer vorgesehen, in die der Brennstoff wie bei der Einspritzung eingebracht wird, dh, die pro Kurbelwinkelgrad in die Kammer einzuspritzende Brennstoffmenge muß dem Brennstoffbedarf des Motors pro Kurbelwinkelgrad im wesentlichen entsprechen. Das sich in der Kammer bildende Gas, die beim Start elektrisch und bei betriebswarmem Motor auch durch die Brenngase beheizt wird, strömt durch die sich an die Kammer direkt anschließenden Düsen 10 oder über eine zwischen der Kammer und den Düsen 10 vorgesehene Leitung aus.

Das Zündgemisch kann je nach Gestaltung des Pumpenraumnockens, Gestaltung des die Düsenquerschnitte verstellenden Raumnockens und Steuerung der einzelnen Raumnocken im Grundgemisch oder auch in oder im Bereich der Kolbenaussparung 31 gebildet werden. Der Einspritz- oder Einblasbeginn des Brennstoffs für die Zündgemischbildung erfolgt je nach Art der Zündgemischbildung bei Kolbenstellungen, die ca. 5 — 50 Kurbelwinkelgrade vor dem Zündzeitpunkt liegen.

Wird das Zündgemisch nicht mittels der Düsen (10) gebildet, sondern mittels weiterer Düsen, die sowohl am Umfang des Düsenträgers (6), dem Löffel (35) zeitweise gegenüberliegend, als auch im Düsenträgerstirnbereich installiert sein können, dann werden diese Düsen zweckmäßigerweise als Einspritzventile ausgebildet und eine weitere Brennstoffpumpe vorgesehen. Alternativ kann in der Leitung, die die weitere Brennstoffpumpe mit den Düsen für die Zündgemischbildung verbindet, ein Entlastungsventil vorgesehen werden, das nach der Bildung des Zündgemischs kurz geöffnet wird, so daß durch den im Zylinder nach Gemischbildungsende noch ansteigenden Gasdruck Gemisch vom Zylinder in die Leitung einströmt, der Brennstoff über dem Entlastungsventil ausströmt und bei Anwendung offener Düsen während des Expansionstakts im wesentlichen nur Gemisch in den Zylinder nachströmt. Bei gasförmiger Einbringung des Brennstoffs zur Bildung des Grundgemischs können die Düsennadeln auch durch ein Entlastungsventil in der Brennstoffleitung ersetzt werden. Der nach Gemischbildungsende im Zylinder noch ansteigende Gasdruck läßt Gemisch vom Zylinder in die Leitung einströmen und den Brennstoff über das kurzzeitig geöffnete Entlastungsventil aus der Leitung ausströmen, so daß beim Expansionstakt nur Gemisch in den Zylinder nachströmt.

Den Gemischbildungsvorgang auf den Ansaugtakt auszudehnen, ist möglich.

Zur Regelung der Wärmezuführung und/oder Wärmeabführung zum oder vom Düsenträger bei gasförmiger Brennstoffeinbringung und Einhaltung einer bestimmten Brennstoffgastemperatur im Düsenträger, kann es zweckmäßig sein, im Bereich der Düsen 10 ein Thermoelement vorzusehen, das mit einer entsprechenden Regeleinrichtung zusammenwirkt Die den Düsenträger durchströmende Flüssigkeit führt je nach Betriebszustand des Motors Wärme zu oder ab. Die Brennstoffgastemperatur muß unter Berücksichtigung der schwer siedenden Brennstoffkomponenten und des Gasdrucks bei Gemischbildungsende so hoch liegen, daß kein Brennstoff in der Brennstoffversorgungseinrichtung, die Leitungen und Düsen kondensiert

Der Düsenträger kann auch kürzer als in F i g. 1 dargestellt ausgelegt werden und die Kolbenaussparung 31 entsprechend weniger tief oder völlig entfallen. Bei dieser Auslegung des Düsenträgers ist es zweckmäßig, die Düsen so anzuordnen, daß die öffnungen der Düsen radial mit einer in Richtung Kolben verlaufenden axialen Komponente ausgerichtet sind, damit die Brennstoffgasstrahlen, die von der rotierend vom

Hubraum in den Verdichtungsraum strömenden Luft in Richtung Zylinderkopf abgelenkt werden, im Endbereich im wesentlichen quer zur Zylinderlängsachse verlaufen.

Um die Berührung des Kolbenbodens durch die Brennstoffgasstrahlen zu verzögern und um die Anzahl der Düsen bei einem bestimmten Strahlwinkel zu verringern, kann es zweckmäßig sein, bei relativ langem Düsenträger wie er in F i g. 1 dargestellt ist, die öffnungen der Düsen radial mit einer in Richtung Zylinderkopf verlaufenden axialen Komponente auszurichten.

Bei jeder Ausführungsform der Erfindung ist es wichtig, die Anzahl der Düsen und deren Strahlwinkel so aufeinander abzustimmen, daß eine zusammenhängende Grundgemischzone entsteht, die von einem Luftmantel eingeschlossen ist und durch entsprechende Auslegung der Strahlwinkel und Luftwirbel von einer wenig turbulenten, kleinvoiumigen Übergangszone umschlossen wird.

Der erwähnte Wirbelgenerator, der im Bereich der Elektroden vorgesehen ist, verwirbelt die Strömung im Bereich des Düsenträgers. Die Mikroturbulenz erleichtert die Zündgemischbildung, setzt die Strömungsgeschwindigkeit im Elektrodenbereich herab und ver- 2^r> mischt das den Düsenträger umströmende Restgas mit Frischgas. Verbrennungsaussetzer und Druckschwankungen werden somit vermieden. Wird das Zündgemisch außerhalb der Kolbenaussparung 31 gebildet, ist der Restgasanteil in dem den Düsenträger 6 umströmenden Gas bei der Brennstoffbemessung zu berücksichtigen.

Im folgenden sollen die Funktion des Motors und die damit erzielbaren Vorteile beschrieben werden.

Luft strömt vom Einlaßkanal in das hohl ausgebildete Auslaßventil, in dem sie durch die im Auslaßventil und im Bereich des Ventiltellers vorgesehenen beweglichen Leitschaufeln in Rotation versetzt wird, wobei die Wirbelintensität der Motordrehzahl im wesentlichen proportional ist. In dem über alle vier Takte rotationssymmetrischen Hub- und Verdichtungsraum entsteht eine im wesentlichen von Besonderheiten freie Strömung um die Zylinderlängsachse.

Die von Besonderheiten freie Strömung und die beschriebene Art der Gemischbildung läßt eine Grundgemischzone entstehen, die von einem Ring bzw. Zylinder reiner Luft eingeschlossen ist, und führt die zündfähige Gemischzone, gleichgültig, ob sie durch Luftverteilung oder Wandauftragung gebildet wurde, bis zum Zeitpunkt des Funkenüberschlags in den Bereich der Elektroden.

Bei jedem Lastpunkt, allen Betriebszuständen und den instationären Phasen wird die Verbrennung durch die zündfähige Gemischzone eingeleitet, so daß die Vorteile, die sich aus der Verbrennung armer Gemische ergeben, nutzbar sind. Als wichtigster Vorteil ergibt sich aus der Verbrennung armer Gemische die Senkung der maximalen Flammentemperaturen, die drei wesentliche Verbesserungen zur Folge hat: Die Wärme- und Reibungsverluste nehmen ab, die Dissoziation wird vermindert, und bei wenig gedrosselt einströmendem Gas verringern sich die Pumpverluste. Der thermische Wirkungsgrad des Motors steigt durch die genannten Verbesserungen erheblich.

Die Senkung der maximalen Flammentemperaturen reduziert auch die Stickoxidbildung wesentlich. Durch die Verbrennung, im wesentlichen nicht unterteilten Verdichtungsraum, der kleinvoiumigen Zündgemischzone und der Kühlwirkung des Düsenträgers entstehen keine Zonen hoher Flammentemperaturen. Die Entstehung von Stickoxid wird durch die Expansion der brennenden Gase, die unabhängig von der Kolbenbewegung durch die Kompression des Luftrings erfolgen kann, weiter vermindert. Der hohe Luftüberschuß im Grundgemisch und das geringe Volumen — im Verhältnis zum übrigen Gemisch — der Zündgemischzone verhindert ferner die Entstehung von Kohlenmonoxid.

Die Wirkungsweise des von einem Luftring eingeschlossenen Grundgemischs bezüglich des Wirkungsgrads und Schadstoffanteils im Abgas läßt sich wie folgt beschreiben: Mittels der von Besonderheiten freien Gasströmung, deren Primär- und Sekundärbewegung und der Brennstoffstrahlen, die an ihren Enden auf kreisbahnähnlichen Kurven liegen, wird die Grundgemischzone gebildet und dabei von einer kleinvoiumigen Übergangsschicht, die sie von dem Luftring trennt, eingeschlossen. Während der Verbrennung und Expansion bleibt die Form der Grundgemischzone im wesentlichen rotationssymmetrisch. Die von Besonderheiten freie Gasströmung und vor allem die zur Wirkung kommenden Auftriebskräfte infolge der Gasrotation und des hohen Temperaturunterschiedes zwischen den brennenden Gasen des Grundgemischs und der an der Verbrennung nicht beteiligten Luft halten die heißen Gase im inneren Bereich des Hub- und Verdichtungsraums. Die Übergangsschicht zwischen Grundgemisch und kalter Luft wird während der Verbrennung und Expansion aufgeheizt. Auch die in der Übergangszone vorhandenen Kohlenwasserstoffe verbrennen im wesentlichen.

Hat der Kolben die obere Totlage erreicht, so strömt im Verdichtungsraum unter den Ventilen Restgas aus dem Kolbenbodenbereich. Dieses nicht ausströmende Restgas enthält Kohlenwasserstoffe infolge von Wandeinflüssen, und kann Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Kohlenmonoxid durch das im Kolbenbodenbereich gebildete Zündgemisch enthalten. Das Schadstoff enthaltende Restgas aus dem Kolbenbodenbereich und ein Teil der im Zylinder verbliebenen Gase aus der Übergangszone werden von dem in den Zylinder einströmenden Frischgas in den inneren Bereich des Zylinders gedrängt und beim darauffolgenden Arbeitstakt (außer den Stickoxiden) nachverbrannt.

Der Kohlenwasserstoffanteil im Abgas ist durch die nahezu vollständige Verbrennung im Zylinder und der Nachverbrennung der schadstoffenthaltenden Restgase beim darauffolgenden Arbeitstakt äußerst gering. Auch diese Verbesserungen werden durch die beschriebene Ventilanordnung erzielt

Die auf dem Kolbenboden aufliegende Grundgemischzone berührt auch den Zylinderkopf und die Ventile nicht. Zwischen der Grundgemischzone und dem Zylinderkopf und den Ventilen bildet die bei Gemischbildungsbeginn die Brennstoffstrahlen nicht tangieiende Luft bis zum Zündzeitpunkt eine scheibenförmige Luftschicht. Infolge der Verdichtung ist die periphere Übergangszone zwischen Luft und Grundgemischzone klemvolumig und brennt demzufolge durch. In dem Spaltraum zwischen Kolben und Zylinder kommt kein Gemisch. Der Kohlenwasserstoffanteil im Abgas wird auch dadurch weiter gesenkt

Kein Kraftstoff wird von der Zylinderwand abgewaschen und somit eine Verbesserung der Abgasqualität und eine Verminderung des Motorverschleißes erzielt Der Ölverbrauch wird gesenkt und die Schmierfähigkeit

des Öls nicht durch Brenns*offbeimengungen gemindert Auch die Motorausfallwahrscheinlichkeit wird durch den Schutz d"S Zylinderschmierfilms verringert (keine Kolbenfresser). Dies trifft insbesondere für Flugmotoren zu, die bei entsprechender Aufladung die für den Reiseflug erforderliche Leistung mit der Grundgemischzone erreichen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen eignen sich hervorragend für Aufladung. Hinzu kommt, daß der thermische Wirkungsgrad des Motors infolge verminderten Wärmeübergangs auf den Zylinder, Zylinderkopf und Kolben während der Verbrennung und Expansion weiter angehoben wird, denn der die Kernzone umschließende Luftring bzw. Luftzylinder wirkt isolierend.

Druckschwankungen im Zylinder infolge mangelhafter Verbrennung kommen durch die beschriebene Art der Zündgemischbildung nicht vor. Vorteile ergeben sich auch durch die kurzen Flammenwege und durch das günstige Oberflächen/Volumen-Verhältnis der Grundgemischzone.

Während die Grundgemischzone verbrennt und expandiert, wird der Luftring bzw. Luftzylinder, der die heißen Gase umschließt, komprimiert. Die heißen Gase können sich somit unabhängig von der Kolbenbewegung ausdehnen. Die Gastemperatur wird durch die relativ geringe thermodynamische Kompression nicht stark angehoben. Die Wärmeverluste werden weiter reduziert und der Motor kann bei Verwendung von ίο Brennstoffen, die übliche Oktanzahlen aufweisen, mit sehr hohem Verdichtungsverhältnis, was sich wiederum verbrauchsmindernd auswirkt betrieben werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Möglichkeit gasförmig vorliegende Kraftstoffe verwenden zu können.

Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine handelt e; sich im physikalen Sinn um eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine, nicht jedoch im allgemein gebräuchlichen Sinn.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gemischverdichtende, fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschine mit vom im wesentlichen ebenen Kolbenboden und von der Zylinderkopfwand gebildetem Brennraum, bei der die Verbren nungsluft über eine koaxial zur Zylinderachse angeordnete Einlaßvorrichtung mit einem Drall über ein in den Brennraum ragendes Ventil in den Brennraum gelangt, wobei die Einlaßvorrichtung zugleich die Zündvorrichtung trägt und zur Zuführung des Brennstoffs dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßvorrichtung (2) in an sich bekannter Weise als Tellerventil ausgebildet ist, und daß am Tellerventil ein in den Brennraum ragender Zapfen (6) vorgesehen ist, an dessen unterem Ende wenigstens eine Brennstoffdüse (10) vorgesehen ist, die den Brennstoff derart in die rotierende Luft einbringt, daß eine von brennstofffreier Luft umschlossene Gemischzone entsteht

2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen der Öffnungen der Brennstoffdüsen (10) veränderbar sind.

3. Hubkolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor zum Ermitteln des Durchmessers der zentralen Gemischzone vorgesehen ist (beispielsweise mittels Temperaturmessung), der über eine Regeleinrichtung die Größe der Öffnungen der Brennstoffdüsen (10) und/oder die Stellung der beweglichen Leitelemente (27), die im Einlaßkanal vorgesehen sind, steuert.

4. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ßrennstoffdüsen (10) im wesentlichen im unteren Bereich des Verdichtungsraums vorgesehen und die Düsenaustrittsöffnungen exzentrisch zur Zyiinderlängsachse angeordnet und derart gerichtet sind, daß der austretende Strahl zumindest auch eine Umfangskomponente in bezug auf die Zylinderlängsachse aufweist.

5. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden als Mulde ausgebildet ist und die Form einer Kugelkalotte oder einer Parabel besitzt.

6. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenboden im Bereich der Zylinderlängsachse eine Aussparung (31) zur Aufnahme des Zapfens (6) vorgesehen ist.

7. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (6) zwei Zündeinrichtungen (11) trägt.

8. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (2) von einem hülsenförmigen Auslaßventil (3) umgeben ist, wobei das Ventil (3) im mittleren Schaftbereich Öffnungen aufweist und teilweise den Einlaßkanal bildet.

9. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Leitschaufeln (27) im Auslaßventil (3) vorgesehen sind.