DE2636659A1

DE2636659A1 - Betriebsverfahren fuer eine luftansaugende, fremdgezuendete brennkraftmaschine, entsprechende brennkraftmaschine sowie geeignetes einspritzventil

Info

Publication number: DE2636659A1
Application number: DE19762636659
Authority: DE
Inventors: Robert Happel; Lothar Dipl Ing Maier
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1976-08-14
Filing date: 1976-08-14
Publication date: 1978-02-16

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Stuttgart-Untertürkheim

Palm 11 251A

11.8.76

Betriebeverfahren für eine luftansaugende, fremdgezündete Brennkraftmaschine, entsprechende Brennkraftmaschine sowie geeignetes Einspritzventil

Die Erfindung geht zunächst aus von einem im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Betriebsverfahren für eine luftansaugende, fremdgezündete Brennkraftmaschine. Insoweit kann auf einen Artikel von A. M. Starr "Fuel injection engine with spark ignition" im SAE-Journal 55 (19^7) Seite 28 - 30 verwiesen werden.

Ein Vorteil von luftansäugende fremdgezündeten Motoren liegt darin, daß bei geeigneter Brennraumgestaltung die Brennraumzwickel, wozu die Quetschzonen zwischen dem Kolbenboden und den Brennrauekanten sowie die Volumenanteile im Kolbenspiel oberhalb der Kompreseionsringe zählen, daß diese Brennraum, zwickel also frei von schlecht zu verbrennenden Ladungsan-

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teilen sind. Bei luftansaugenden Motoren wird das Gemisch im Innern des Zylinders gebildet, es läßt sich eine Ladungsschichtung zumindest insoweit relativ leicht bewerkstelligen, als wenigstens die äußersten Brennraumzwickel nicht mit Ladung, sondern mit reiner Luft gefüllt werden. Diese Brennraumzwickel üben, wenn sie mit Ladung erfüllt sind, aufgrund ihres großen Wandanteiles auf die Verbrennung eine abschrekkende Wirkung aus und die Ladungsanteile in den Brennraum zwickein verbrennen allenfalls unvollständig. Die Kohlenwasserstoffanteile im Motorabgas rühren zu einem erheblichen Anteil aus diesen Zwickeln her. Sind diese Zwickelbereiche hingegen mit Luft erfüllt, so stehen sie als Sauerstoffreservoir zur Verfügung und ihre abschreckende Wirkung ist stark reduziert. Es darf angenommen werden, daß die Abgase dieser Motoren wesentlich geringere Anteile an Kohlenwasserstoff in den Abgasen aufweisen als andere Motoren.

Nachteilig an diesen Motoren ist, daß die Kohlenmonoxid- und Stickoxidanteile im Abgas zumindest im Teillastbereich relativ hoch, d. h. für zukünftig zu erwartende Abgasbestimmungen zu hoch sind. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnten Betriebsverfahren dieses dahingehend zu verbessern, daß auch die Kohlenmonoxid- und die Stickoxidanteile im Abgas derartiger Motoren auch bei Teillast verbessert werden. Erfindungsgemäß wird zur Lösung in der Weise verfahren, wie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist.

Die zweistufige Zündung der Ladung erlaubt die Abmagerung der Ladung auf Werte bis in den Bereich von Λ. = 2 und mehr, wodurch die Kohlenmonoxid- und die Stickoxidemission verbessert wird. Durch die frühe Einspritzung zu Beginn der Kompressions-

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phase und nur innerhalb des abgesonderten Verbrennungsraumes hinein wird sichergestellt, daß aufgrund der durch die Kompression bewirkte in den Verbrennungsraum hineingerichtete Kompressionsströmung die Ladung in dem Verbrennungsraum gehalten wird und die Brennraumzwickel ladungsfrei bleiben; dadurch wird die Kohlenwasserstoff-Emission reduziert. Die frühe Einspritzung - Einspritzende etwa 9o bis 12o Grad vor dem oberen Totpunkt - ist auch einer homogenen Gemischbildung und somit einer vollständigen und vollkommenen Verbrennung förderlich, weil nun genügend Zeit für einen Kraftstoffaufschluß zur Verfügung steht. In dem hinsichtlich der CH-Emissionen weniger kritischen oberen Lastbereich kann der Einspritzbeginn bis in den Beginn der Ansaugphase vorgezogen werden, so daß viel Zeit für den Kraftstoffaufschluß und eine homogene Gemischbildung zur Verfügung steht. Das Temperaturniveau der Wandung des Verbrennungsraumes wird man tunlichst hoch halten, z. B. durch geeignete Werlcstoffwahl der Kammereinsätze, wodurch ebenfalls eine homogene Gemischbildung gefördert wird.

Im Hinblick auf die der Erfindung zugrunde liegende Brennkraftmaschine geht die Erfindung aus von einer luftansaugenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wie sie im Oberbegriff von Anspruch h näher bezeichnet ist, die beispielsweise aus der DT-OS 1 526 29o bekannt ist. Zwar bezieht sich diese Veröffentlichung mehr auf Dieselmotoren, und zwar auf solche Dieselmotoren, die wegen ihrer Vielstoffeignung mit Fremdzundungsunterstutzung arbeiten; dieses ergibt sich schon aus der dort erwähnten den Zündzeitpunkt bestimmenden spaten Einspritzung. Die dort geschilderte Brennkraftmaschine bildet aber eine Ausgangsbasis für die vorliegende Erfindung. Hier-

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bei ist es zweckmäßig aber nicht unbedingt erforderlich, wenn der dort erwähnte Verbindungskanal in Übereinstimmung mit der Vorveröffentlichung auch bei der Erfindung tangential zur Vorkammer und vorzugsweise auch tangential zum Verbrennungsraum angeordnet ist, wobei vortedlhaf terweise auch das bekannte Merkmal, daß der Verbindungskanal auf das Einspritzventil ausgerichtet ist, ebenfalls übernommen wird.

Auch hinsichtlich des konstruktiven Aspektes liegt der Erfindung die gleiche Aufgabe wie oben bereits erwähnt zugrunde; sie wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch k erwähnten Merkmale gelöst.

Durch die Anordnung des abgeteilten Verbrennungsraumes im Zylinderkopf und durch den flachen Kolbenboden läßt sich eine saubere Ladungstrennung von den Zwickeln des Hubraumes erreichen. Die frühzeitige Einspritzung ermöglicht einerseits eine homogene interne Gemischbildung und andererseits eine gute Ladungstrennung wenigstens im Teillastbereich.

Die Vorkammer soll lediglich zündwirksam, nicht aber auch kompressionswirksam sein, d. h. es soll lediglich eine zweistufige Zündung, nicht aber - etwa aufgrund einer Nachkompression durch Verbrennung der Zündladung - auch eine Zweistufenverbrennung der Arbeitsladung erzielt werden. Diese soll vielmehr einstufig und möglichst rasch verbrennen, damit eine möglichst hohe Arbeitsausbeute erzielt wird. Da die mit Otto-Kraftstoff üblichen Verdichtungsgrade und die erzielbaren Verbrennungsd'rücke weit weniger hoch sind als bei Dieselmotoren, kann hier eine Gleichraumverbrennung aus Gründen der Triebwerksbelastung nicht nur zugelassen, sondern soll sogar aus Gründen der Arbeitsausbeute angestrebt werden. Aus diesem

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Grunde kann eine besonders kleine Zündkammer zugelassen werden (Anspruch 5)> so daß der Zündladungsanteil sehr klein und der Arbeitsladungsanteil entsprechend größer ist. Damit die in der Vorkammer von der Zündkerze ausgehende Flammenfront möglichst früh in den Verbindungskanal zum Verbrennungsraum hinüberschlägt, zumindest aber früher als die Flammenfront die Zündkammer durcheilt hat, am Verbindungskanal angelangt ist - es wird dadurch ein möglichst lang andauernder Zündfakkelstrahl erreicht - ist die Zündkerze an der Zündvorkammer möglichst nahe am Verbindungskanal angeordnet. Man wird den Anteil des Volumens des Verbrennungsraumes an dem gesamten Kompressionsvolumen möglichst hoch wählen. Da aber der Kolbenspalt zum Zylinderkopf im oberen Totpunkt wenigstens etwa 1,2 bis 1,5 nun betragen muß und dieses Spalt volumen je nach Kolbendurchmesser mindestens etwa 15 bis 2o $ des Kompressionsvolumens ausmachen wird, lassen sich die im Anspruch 6 angegebenen Werte kaum nennenswert steigern.

Damit man eine räumlich möglichst konzentrierte Ladung erhält und die Flammenfront möglichst kurze Wege zurücklegen muß, wird für die Brennräume die Kugelform angestrebt. Für eine gute Ladungstrennung und für eine intensive Wirbelbildung - letzteres begünstigt eine homogene Gemischbildung ist eine Einschnürung zwischen Verbrennungsraum und Hubraum des Kolbens günstig. Diese Einschnürung kann z. B. in Form von Wulsten, verrundeten Unstetigkeiten od. dgl. ausgebildet sein. Sie dienen dem Zweck einer Verwirbelung der in den Verbrennungsraum eintretenden Kompressionsströmung und somit einer Homogenisierung des intern entstehenden Gemisches. Diese Wulste sollen wenigstens im Bereich der Auftreffwstellen

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der Einspritzstrahlen auf die Brennraumwand umfangsmäßig an der Überströmverbindung angeordnet sein, damit zumindest im Bereich dieser Auftreffstellen starke Wirbel entstehen, die die durch die Wulste festgehaltenen Wandbenetzungen gewissermaßen auflecken.

Wie bereits erwähnt wird die homogene Gemischbildung durch eine Anhebung des Temperaturniveaus der Wandungsteile des Verbrennungeraumes begünstigt. Das Temperaturniveau kann einmal gesteigert werden durch geeignete Werkstoffauswahl für die Kanunereinsätze. Statt dessen oder zusätzlich dazu können aber auch die heißen Verbrennungsabgase durch den Verbrennungsraum hindurch ausgeschoben werden, was dessen Wandungen ebenfalls besonders stark erwärmen würde. Der obere Abschluß des Verbrennungsraumes würde dabei durch den heißen Teller des Auslaßventilen gebildet.

Eine gewisse Besonderheit des erfindungsgemäßen Motores und des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, daß sowohl der Verbrennungsraum als auch die Zündkammer von ein und demselben Einspritzventil aus mit Kraftstoff versorgt werden, wobei aber die Einspritzmengen für die beiden Kammern sich nach unterschiedlichen Gesichtspunkten richten. Die im Verbrennungsraum gebildete Arbeitsladung wird lastabhängig gleichsinnig analog mit der geforderten Motorbelastung mit mehr oder weniger viel Kraftstoff angereichert. Dies gilt hinsichtlich der Zündkamer nur für einen Teilbereich de· Leistungsspektrums des Motors und zwar für den unteren Teillastbereich, in welchem bei zweistufig gezündeten Motoren des Magerkonzeptes mit gleichbleibend ho^hee Luftüber-

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schuß aber lastabhängig unterschiedlicher Ladungsmenge
(Quantitätsregelbereich) gefahren wird. Hier ist die erforderliche Zugabemenge für die Zündkammer, um die Ztindladung
lastunabhängig auf stöchiometrische Zusammensetzung anzureichern, lastabhängig gleichsinnig analog zu verändern. In dem nach oben daran anschließenden Qualitätsregelbereich, in dem bei gleichbleibender Ladungsmenge aber abnehmendem Luftüberschuß gefahren wird, wird das Defizit an Kraftstoff zur stöchiometrischen Zusammensetzung in der Zündkammer mit zunehmender Last immer geringer, so daß also im Qualitätsregelbereich die Zugabemenge gegensinnig analog zur gesteuerten
Last abnimmt.

Wegen dieser gegenüber der Arbeitsladung unterschiedlichen
Lastabhängigkeit der Steuerung der Zugabemenge für die Zündladung muß diese Zugabemenge besonderes und zwar unabhängig
von der Haupteinspritzmenge gesteuert werden. Der Erfindung
liegt als weitere Aufgabe zugrunde, diese beiden Mengen unabhängig steuern zu können, die Einspritzmengen aber über ein einziges Einspritzventil zuführen, zu können. Hierzu geht die Erfindung zunächst wieder aus von einer ausgewählten Gattung von Einspritzventilen, wie sie im Oberbegriff von Anspruch näher bezeichnet ist (vgl. DT-OS 1 9^7 673). Zur Lösung der
hier genannten Aufgabe werden an dem gattungsmäßigen Einspritzventil erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 genannten Merkmale vorgesehen.

Die Hauptmenge an Kraftstoff für die Arbeitsladung kann dann normal wie bei jedem beliebigen Einspritzventil eingespritzt werden und wird durch die Einstellung der Einspritzpumpe bestimmt. Die von dieser Hauptmenge abgezweigte Zugabemenge

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wird unabhängig von der Hauptmenge durch die Drehlage der Ventilnadel bestimmt. Durch den Nadelhub des Einspritzventiles wird je nach Drehlage der Nadel Über eine mehr oder weniger lange Zeit die innere Öffnung der Abspritzbohrung freigelegt und dementsprechend über diese Bohrung mehr oder weniger viel Kraftstoff eingespritzt. Die durch die Steuerflächen unsymmetrische Gestaltung des Ventilnadelzapfens mag zwar einen Einfluß auf die Strahlausbildung für die Hauptmenge haben. Diese können sich vielleicht ebenfalls unsymmetrisch zur Strahllängsachse ausbilden oder überhaupt in der Strahlausbildung beeinträchtigt werden. Dies ist aber bei der frühen Kraftstoffeinspritzung nicht weiter schädlich, weil bei dieser Motorenart für einen guten Kraftstoffaufschluß weniger die Strahlqualität als vielmehr die verbleibende Zeit bis zur Zündung maßgebend ist.

Die Ventilnadel steht axial unter sehr hoher Federvorspannung und läßt sich demgemäß nur schwergängig verdrehen. Um auf möglichst einfache konstruktive Weise eine Leichtgängigkeit zu erreichen, soll nur der Ventilnadelzapfen drehbar sein (Anspruch 16). Die Abspritzbohrung kann - durch Zustopfen und erneutes Anbohren - geknickt verlaufen, um das Abspritzende der Bohrung in Richtung auf die Zündkammer zu richten.

Die Erfindung ist anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die obere Partie einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

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Fig. 2 und 3 entsprechende Querschnitte durch ein anderes AusfUhrungsbeispiel, bei dem im Verbrennungsraum das Auslaßventil angeordnet ist, und zwar einmal (Fig. 2) während der Ansaugphase und - in Fig. 3 - während der Kompressionsphase,

Fig. h eine Darstellung der Platzverhältnisse für

Zündkerze und Einspritzventil in der Draufsicht ,

Fig. 5 eine Darstellung der phasenmäßigen Erstrek-

kung der Einspritzintervalle bei verschiedenen Lasteinsteuerungen und des Zündzeitpunktes,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein erfindungsge

mäßes Einspritzventil,

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des unteren

Teiles der Ventilnadel mit verdrehbarem Ventilnadelzapfen und

Fig. 8 und 9 weitere mögliche Ausgestaltungsformen des Ventilnadelzapfens·

In dem in Fig. t dargestellten Motor sind ein Motorblock 1 mit Zylinderlaufbahn 2, ein Zylinderkopf 3 sowie Triebwerksteile h mit Kolben 5 gezeichnet. Im Zylinderkopf ist ein kugelförmiger Verbrennungsraum 6 und neben ihm eine ebenfalls kugelförmige Zündkammer 7 angeordnet. Der Kolben mit flachem Kolbenboden 5a

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befindet sich in seiner oberen Totlage - strichpunktierte Lage - mit nur sehr geringem Spalt 9 dicht ₍an der Bodenplatte 8 des Zylinderkopfes, so daß dieses Spaltvolumen auf das geringstmögliche reduziert ist. Nahezu der gesamte Zylinderinhalt wird bei der Kompression in den Verbrennungsraum 6 hinein komprimiert, der etwa 7o bis 8o $ des Kompressionsendvolumens beinhaltet. Die Zündkammer beinhaltet lediglich etwa 3 bis 5 $ des Kompressionsendvolumens, der Rest entfällt auf den unvermeidlichen Kolbenspalt 9 und auf das Spielvolumen im sogenannten Feuersteg 1o oberhalb des obersten Kompressionsringes 11. Die Zündkammer 7 und der Verbrennungsraum 6 stehen untereinander über einen Verbindungskanal 12 in Verbindung. Er ist sowohl bezüglich der Zündkammer als auch bezüglich des Verbrennungsräumes tangential angeordnet, um sowohl während der Kompression - Strömungsrichtung vom Verbrennungsraum in die Zündkammer hinein - als auch während der Zündung und der anschließend beginnenden Expansion - Strömungsrichtung aus der Zündkammer heraus - eine gute Turbulenz in der einströmenden Kammer zu bekommen. Dicht neben der Ausmündung des Verbrennungskanales in die ZUndkamm«r ist eine Zündkerze 13 angeordnet, so daß die von deren Elektroden ausgehende Flammenfront möglichst frühzeitig den Verbindungskanal erreicht, und zwar möglichst noch, bevor die Flammenfront die gegenüberliegende Zündkammerwand erreicht hat. In der Nähe der Ausmündungsstelle des Verbindungskanales in den Verbrennungsraum 6 ist die Spitze eines Einspritzventil» Ik angeordnet. Es handelt sich dabei um ein Mehrstrahl-Einspritzventil mit einem Hauptstrahl 15 und einem unabhängig von der Menge des Hauptstrahles steuerbaren Nebenstrahl 16. Der Nebenstrahl Λ6 ist in den Verbin-

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dungskanal zur Zündkammer hin gerichtet. Umgekehrt ist der Verbindungskanal 12 auf die Spitze des Einspritzventiles ausgerichtet .

Die Zündkammer und der Verbrennungsraum sind in einem gemeinsamen aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit bestehenden vorgefertigten Einsatz angeordnet, der in den Gußwerkstoff des Zylinderkopfes, z. B. Gußaluminium, eingegossen ist. Der Einsatz seinerseits kann ebenfalls durch Gießen hergestellt sein, z. B. aus Kugelgraphitguß oder aus Temperguß. Die geringe Wärmeleitung in dem Brennraumeinsatz bewirkt eine Anhebung des Temperaturniveaus dieser Räume, was einem guten Kraftstoffaufschluß insbesondere auch der hochsiedenden Bestandteile des Kraftstoffes förderlich ist.

Der Haupteinspritzstrahl ist so gerichtet, daß er noch im Innern des Verbrennungsräumes auf die Brennraumwand auftrifft. Die Überströmverbindung zwischen dem Hubraura 1o des Kolbens und dem Verbrennungsraum 17 ist eingeschnürt, so daß sich beim Einströmen des komprimierten Gases in den Verbrennungsraum hinter der Einschnürstelle starke Ablösungswirbel bilden, die die an der Wandung anhaftende Kraftstoffflüssigkeit rasch aufnimmt und mit dem übrigen Inhalt des Verbrennungsräumes vermischt.

Dem Motor ist eine Stempeleinspritzpumpe zugeordnet, wie sie ihrer Art nach grundsätzlich von Dieselmotoren her bekannt ist. Im Unterschied zu den üblichen Dieseleinspritzpumpen muß jedoch die für vorliegende Zwecke verwendbare Einspritzpumpe einen in Umfangsrichtung sehr langen Arbeitsbereich des Betätigungsnockens für die Pumpenstempel haben,

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so daß die Einspritzvorgänge über sehr lange Zeiträume hinweg ausgedehnt werden können. Der Einspritzvorgang für die Volllas teinspritzmenge soll über etwa I8o Kurbelwinkel erstreckt werden können. Man wird daher einen Exzenter oder eine ähnliche Form als Betätigungsnocken für die Pumpenstempel verwenden. Als weiterer Unterschied zu den üblichen Dieseleinspritzpumpen wird man die Steuerkante an dem Einspritzkolben, die den Förderbeginn bestimmen, geneigt zur Kolbenachse anordnen und die Steuerkante, die das Förderende bedeutet, achssenkrecht am Kolben anordnen. Je nach Drehlage des Einspritzkolbens wird der Einspritzbeginn lastabhängig mehr oder weniger früh einsetzen, hingegen wird das Einspritzende lastunabhängig etwas spät an der gleichen Stellung des Hubkolbens 5 in der Brennkraftmaschine liegen. In Fig. 5 ist dies veranschaulicht. Dort ist in dem Kurbelwinke!diagramm das Einspritzende für alle Lastzustände durch den Zentrumsstrahl E bezeichnet, in dessen Stellung sich gerade die stilisiert angedeutete Kurbelwellenkröpfung befindet. Der Einspritzbeginn für den Motorleerlauf ist durch den Zentrumsstrahl 1 markiert. Die Leerlaufeinspritzmenge muß also in dem dem KurbelwinkelA, entsprechenden Zeitintervall eingespritzt werden. Bei Volllast beginnt die Einspritzung bei der Winkelstellung ν (Einspritzwinkel crv. ) · Teillastmengen werden bei einer Zwischenstellung, beispielsweise bei der Winkellage m beginnend eingespritzt (Einspritzwinkel Jx. )· Bei einer etwa 50 $ der Vollast entsprechenden Teillast - Effektivdruck etwa 50 $ des Vollast-Effektivdruckes - sollte der Einspritzbeginn deutlich nach dem unteren Totpunkt liegen. Hierdurch ist sichergestellt, daß wenigstens in dem abgaskritischen Teillas tbereich die Einspritzung ausschließlich in der Kompreasionsphase erfolgt und daß demgemäß das Gemisch aufgrund der

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Einströmung der Ladung in den Verbrennungsraum hinein vom übrigen Kompressionsraum, d. h. vom Kolbenspalt 9 sauber getrennt gehalten wird.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Motors ist nun folgende: Bei der Abwärtsbewegung saugt der Motor nur Luft an. Im Teillastgebiet beginnt die Einspritzung erst nach Abschluß des Ansaugvorganges. Im ersten Drittel der Kompressionsphase erfolgt hier die Einspritzung, die spätestens im zweiten Viertel des Koapressionshubes beendet ist. Im Teillastbereich wird die Ladung zur Leistungsanpassung des Motors quantitativ geregelt, d. h. es wird mit einem etwa konstanten Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit sehr starkem Luftüberschuß (^^»2) gefahren. Gleichzeitig wird - im Teillastbereich - eine der Haupteinspritzmenge proportionale kleine Nebeneinspritzmenge in die Zündkammer eingespritzt, um deren Ladung etwa auf stöchiomotrisehe Gemischzusammensetzung anzureichern. Durch die Einströmung des komprimierten Zylinderinhaltes in den Verbrennungsraum durch die eingeschnürte Überströmöffnung 19 wird eine starke Verwirbelung des Rauminhaltes und - dank der relativ langen zur Verfügung stehenden Zeit und dank der bewußt hoch gehaltenen Wandungstemperatur - ein guter Kraftstoffau^fschluß bei dieser internen Gemischbildung erzielt. Das Ladungsgemisch wird vom übrigen Zylinderinhalt säuberlich getrennt gehalten. Im Kolbenspalt befindet sich - noch vom Ladungswechsel her - stets nur Luft bzw. Restabgas. Die Zündung - zwischen 35 und 15 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt - erfolgt zweistufig mittels der Zündkerze und der stöchiometrisch zusammengesetzten Zündladung in der Zündkammer, die mit einem aus dem Kanal 12 tangential in den Verbrennungsraum hineinschlagenden kräftigen Zündfacke!-strahl die magere Hauptladung zündet. Diese kann

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wegen des guten Kraftstoffaufschlusses und wegen des hohen Ausgangstemperaturniveaus einstufig, rasch und vollständig verbrennen; die Kolbenstellung verändert sich währenddessen kaum, so daß nahezu eine Gleichraumverbrennung erfolgt. Die Kugelgestalt und eine gute Verwirbelung im Verbrennungsraum begünstigen die rasche Verbrennung. Der hohe Luftüberschuß, die hohen Wandtemperaturen und die Ladungsturbulenz fördern eine möglichst vollständige Verbrennung der Ladung auch bis in wandnächste Grenzschichten hinein.

In den Fig. 3, k und 5 ist eine Variante des Motors nach
Fig. 1 dargestellt. In der nachfolgenden Beschreibung ist
nur auf die Unterschiede eingegangen; im übrigen gilt die
voraufgegangene Beschreibung mit den gleichen Bezugszahlen auch für die Fig. 3 bis 5. Die Zündkammer 7 und der Verbrennungsraum 6 dieser Variante sind nicht in eingegossenen Einsätzen eingearbeitet, sondern sind aus dem gleichen Werkstoff wie der ganze Zylinderkopf. Die Kammern sind auch nicht genau kugelig, aber doch sehr kompakt und daher der Kugelform noch relativ gut angenähert. Das Auslaßventil 2o ist gegenüber dem Einlaßventil 21 um die Höhe des Verbrennungsraumes höhergelegt und am Verbrennungsraum angeordnet, so daß der
heiße Ventilteller 22 des Auslaßventiles einen Teil der Wandung des Verbrennungsraumes bildet.

Die Fig. 2 zeigt den Motor während der Ansaugphase in einem sehr hohen Lastzustand, in dem die Einspritzung (Einspritzstrahl 15) schon während der Ansaugphase beginnt. Ein Teil
(I5a) des Einspritzstrahles gelangt während der Ansaugphase in die Einsaugetrömung 23 und wird mit ihr innig vermischt.

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Der übrige Teil 15b des Einspritzstrahles wird, soweit sich die Tropfen nicht in der Luft vernebeln, an die Wandung des Verbrennungsraumes gespritzt und durch den Einschnürungswulst 19a im Innern des Verbrennungsraumes gehalten. Nach dem Übergang in die Kompressionsphase (Fig. 3) werden diese Wandbenetzungen durch die Kompressionsströmung Zk und durch die sich hinter dem Einschnürungswulst 19a bildenden Wirbel 25 von ungeschwangerter Luft gewissermaßen aufgeleckt und innig mit dem Rauminhalt vermischt.

Zwar gelangt durch das frühe Einspritzen schon während der Ansaugphase im oberen Teillastbereich Ladung auch in den Kolbenspalt 9 hinein, wodurch die Verbrennung in diesen Zwickeln durch Wandeinflüsse abgeschreckt werden kann. Im oberen Teillastbereich ist dies aber auch im Hinblick auf Abgasemissionen weniger kritisch. Im unteren Teillastbereich unterhalb $o $ Maximallast beginnt die Einspritzung erst während der Kompressionsphase, so daß insoweit nur die Darstellung nach Fig. 3 repräsentativ ist. Hier ist eine säuberliche Trennung von Ladung im Verbrennungsraum und von Luft im Zylinderraum 18 zu gewährleisten. Die Zylinderraumzwickel bleiben ladungsfrei und können die Verbrennung nicht behindern. '

In den Fig. 6 bis 9 ist ein für den erfindungsgemäßen Motor geeignetes tinspritzventil 14 mit verschiedenen Varianten dargestellt. In einem Ventilsitzkörper 3o ist in einer genau gefertigten Bohrung ein Ventilnadelkolben 31 dichtend eingepaßt. Zentrisch zum Ventilnadelkolben ist ein Ventilkegel angeordnet. Um den Ventilkegel herum ist ein ringförmiger Druckraum 33 vorgesehen, der über Bohrungen 3^ und den An-

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schluO 35 von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe aus mit Druck beaufschlagt werden kann. Der Ventilnadelkolben ist über den Bund "}6 mit der Kraft einer sehr harten vorgespannten Feder 37 in Schließrichtung belastet. Unterhalb des Ventilsitzes 32a befindet sich eine zentrische Bohrung 38 im Ventilsitzkörper, in die sich mit Spiel ein Ventilnadelzapfen 39 hineinerstreckt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein offenes Zapfenventil, in dem die Bohrung 38 frei ausmündet und einen Haupteinspritzstrahl 15 entlassen kann. Die Bohrung 38 ist durch eine kleine Querbohrung 4o für einen Nebenstrahl 16 angeschnitten, über die noch weiter unten zu sprechen sein wird.

Der Ventilnadelkolben ist der Länge nach hohlgebohrt. In dieser genau gefertigten Bohrung ist der Ventilnadelzapfen 39 dichtend aber leicht drehbar gelagert. Er stützt sich axial über eine kleine Schulter 42 am Ventilkegel 32 ab. Die in der Bohrung geführte Lagerstange 41 ist bis oberhalb des Bundes 36 hinausgeführt und dort axial durch einen Sprengring 43 gesichert. Das obere Ende der Stange ist beidseitig nach Art einer Schraubenzieherklinge abgeflacht (Drehmomentlasche 44). Im Inneren des Ventilkörpers 45 ist in einer Bohrung 47 eine Verdrehstange 46 drehbar gelagert (Lagerzapfen 48) und durch eine Schulter 49 axial aber drehbar fixiert. Zwischen den Lagerstell'en 48 ist die Stange 46 im Durchmesser etwas reduziert, um einen Abflußquerschnitt für Leckflüssigkeit zu schaffen, die von dem Ventilnadelkolben 31 herrührt. Diese Leckflüssigkeit wird über den Anschluß 50 zurückgeführt. An der Verdrehstange 46 ist ein am Ende quergeschlitzter Zapfen 5I angeordnet, der sich durch die Federwiderlagerscheibe 52 hindurcherstreckt. Dadurch ist eine

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axialbewegliche aber verdrehsichere und spielfreie Verbindung mit dem Ventilnadelzapfen hergestellt. Die Stange 46/51 braucht die Hübe des Ventilnadelkolbens nicht mitzumachen.

An dom oberen Ende der Stange 46 ist ein integrierter Verdrehantrieb 52 für den Ventilnadelzapfen angeordnet. Im diesbezüglich dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stange 46 an ihrem oberen Ende mit einem kleinen Querzapfen 53 versehen, der mit seinen überstehenden gegenüberliegenden Enden in ein zveigängiges Steilgewinde 5k eingreift, welches in seiner Steigung so steil ist, daß es selbsthemmungsfrei ohne weiteres durch Axialverschiebung die Stange 46 zu verdrehen erlaubt. Die Steilgewindemutter 55 ist im Inn_ern eines Kolbens 56 befestigt, der in seiner Umfangslage durch eine Nut 57 und einen darin eingreifenden Stift 58 gesichert ist. Der Kolbenraum 61 ist durch eine aufschraubbare Kappe 59 mit Steueranschluß 60 verschlossen. Gegenüber dem Kolbenraum 61 ist eine Feder 62 angeordnet, die den Kolben 56 und somit den Ventilnadelzapfen 39 in eine Ausgangs- oder Ruhelage zu bewegen trachtet. "Diese Ruhelage kann mit der Schraube 63 justiert werden. Die Vorspannung der Steuerkolbenfeder kann - ausgehend von einer einjustierten Lage mittels austauschbarer Scheiben 64 unterschiedlicher Stärke justiert werden. Über eine Nut 65 ist die Kolbenunterseite mit dem Leckölanschluß verbunden, so daß der Kolben von seiner Unterseite her nicht hydraulisch behindert ist. Durch Beaufschlagung des Kolbens mit einem lastabhängig variablen Steuerdruck kann die Umfangslage des Ventilnadelzapfens feinfühlig eingesteuert werden.

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An dem Ventilnadelzapfen ist eine schräg verlaufende Kante 39a angebracht, die die zylindrische Oberfläche 39b des Zapfens 39 zum freien Ende hin begrenzt. Diese Kante legt nach Zurücklegen des Ventilnadelhubes h die innere Öffnung Hob. der Querbohrung ko je nach Umfangslage des Ventilnadelzap&is mehr oder weniger lang frei, so daß über die Umfangslage des Ventilnadelzapfens 39 die über die Querbohrung 4o abgespritzte Menge unabhängig von der Haupteinspritzmenge steuerbar ist. Aufgrund der Anordnung der Querbohrung ko unter einem Winkel ρ kleiner als 9o wird von der durch die Bohrung 3^ strömenden Hauptmenge eine Teilmenge abgeschält. Um den durch die Querbohrung 4o abgezweigten Nebenstrahl unabhängig von der Anfangsneigung ρ der Querbohrung in bestimmte Stellen des Kompressionsraumes, z. B. in den Verbindungskanal 12 zu der Zündkammer zu lenken, ist der Endteil 4ob der Querbohrung geknickt zu dem Anfangsteil der Bohrung angeordnet, was durch Verschließen der ursprünglichen Bohrung - strichliert angedeutet - und erneutes Bohren unter anderer Richtung bewerkstelligt werden kann.

Der schräge Verlauf der Steuerkante 39a am Ventilnadelzapfen kann auf mehrerlei Weise erzeugt werden. Im Beispiel nach Fig. ist ein schräg angebrachter konischer Abschluß 66 angebracht, wodurch die dort gezeigte annähernd eben verlaufende Begrenzungskante entsteht. Im Beispiel nach Fig. 8 ist der Ventilnadelzapfen lediglich eben abgeschrägt, und im Beispiel nach Fig. 9 ist exzentrisch zum Ventilnadelzapfen 39 ein weiterer verjüngter Zapfen 6*1 angeordnet. Der konische übergang 68 vom Zapfen 39 zum Zapfen 67 ist zentrisch zum kleineren Zapfen 67, so daß sich eine schräg und nahezu eben verlaufend· Überschneidungskante 39a ergibt. Neben diesen geneigt verlaufenden Steu-

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erkanten sind auch in Stufen verlaufende Steuerkanten möglich, was jedoch nicht zeichnerisch dargestellt ist.

Damit die Umfangslage der Querbohrung 4o im Einbauzustand des Ventiles innerhalb des Motors definiert in der beabsichtigten Richtung liegt, ist die in die Einbauöffnung im Zylinderkopf einzusteckende Hülse 69 am Außenumfang mit einer Formschlußfläche und die Einstecköffnung im Zylinderkopf mit einer entsprechenden Gegenfläche zu versehen, so daß die Teile nur in einer einzigen Umfangslage montierbar sind. Ebenso ist durch eine nichtsytnmetrische Anordnung einer Formschlußsteckverbindung zwischen der Hülse 69 und dem Ventilsitzkörper 3° für eine eindeutig definierte umfangsmäßige Relativlage dieser beiden Teile zu sorgen. Darüber hinaus muß aber auch über den Körper 45» den Kolben 56 und die Stangen 46 und 4i dafür gesorgt werden, daß der Ventilnadelzapfen 39 in der Ruhelage des Kolbens 56 eine definierte Umfangslage einnimmt. Deswegen ist der Ring Jo vorgesehen, der sowohl bezüglich der Hülse 69 als auch bezüglich des Körpers %5 aufgrund entsprechender unsymmetrischer Formschluß-Steckverbindungen jeweils nur in eindeutigen umfangsmäßigen Relativlagen montierbar ist.

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Claims

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11.8.76

Ansprüche

Betriebsverfahren für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei der Luft angesaugt und möglichst vollständig in einen vom Hubraum des Kolbens baulich abgeteilten Verbrennungsraum hineinkomprimiert, die im Verbrennungsraum enthaltene Luft durch Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff unter Einhaltung eines lastunabhängig konstant bleibenden Einspritzendes mit Kraftstoff angereichert und die so gebildete Ladung durch eine fremde Zündquelle etwa 35 bis 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Hubkolbens fremdgezündet, im Verbrennungsraum einstufig verbrannt und dadurch bei möglichst geringer Volumenveränderung im Druck erhöht und unter Arbeitsabgabe an den Hubkolben entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbereich der Brennkraftmaschine die Luft lastunabhängig auf ein etwa gleichbleibendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit Luftüberschußzahlen im Bereich von λ^ 1,4, vorzugsweise von etwa A. = 2 mit Kraftstoff angereichert wird, daß das Einspritzende (e) in den Anfangsbereich der Kompression gelegt ist, wobei jedoch bei Teillast der Einspritzbeginn (m) noch eindeutig ebenfalls innerhalb der Kompressionsphase liegt, daß durch entsprechende Anordnung und Ausrichtung der Einspritzstrahlen (15» 16) i» Verbrennungsraum (6) während der Kompression eine scharfe Trennung von Luft/Kraftatoff-Gemisch im Verbrennungsraum (6) einerseits und Verbrennungsluft im Hubraum (18) andererseits eingehalten wird und daß die Zündung zweistufig mittels einer elektrisch gezündeten außerhalb des Verbrennungsräumes (6) gebildeten Zündladung und einem von ihr ausgehenden Zündfackelstrahl erfolgt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Temperaturniveau der Wandung (17) des Verbrennungsraumes (6) hoch gehalten wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Einspritzende (E) auf etwa 9o bis 12o Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Hubkolbens (5) gelegt wird.

k. Luftansaugende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Hubkolben und mit je einem möglichst kompakten in allen Hauptabmessungen kleiner als der Kolbendurchmesser gestaltete Verbrennungsraum, sowie mit einem - beim Durchgang durch den oberen Totpunkt - möglichst engen Spalt zwischen der Kolbenoberkante und der Bodenplatte des Zylinderkopfes, ferner mit einer Hochdruck-Einspritzeinrichtung, von deren Einspritzventilen jeweils eines an einem der Verbrennungsräume angeordnet ist, sowie jeweils mit einer Fremdzündquelle, wobei baulich in der Nachbarschaft des Verbrennungsraumes eine mit ihm über einen Verbindungskanal in Verbindung stehende im Volumen wesentlich kleinere und mit einer elektrischen Zündkerze versehene Vorkammer im Zylinderkopf angeordnet ist, ferner mit einer Ausbildung der Einspritzventile als Mehrstrahlventile, von dessen Einspritzstrahlen einer in den Verbindungskanal abspritzend ausgerichtet ist, insbesondere zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t , daß der Hubkolben (5) in an sich bekannter Weise mit flachem Kolbenboden (5&) ausgebildet und der Verbrennungsraum (6) - wie ebenfalls an sich bekannt - ganz innerhalb des Zylinderkopfes (3) angeordnet ist, daß ferner die Einspritzpumpe derart ausgebildet ist,

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daß die Einspritzung noch innerhalb des zweiten Viertels des Kompressionshubes beendet ist und daß die übrigen Einspritzstrahlen (15) derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind, daß sie wenigstens innerhalb der Kompressionsphase stets innerhalb des Verbrennungsraumes (6) verbleiben.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorkammer (7) etwa 3 bis 5 i» des gesamten Kompressionsendvolumens beinhaltet.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch k oder 5, dadurch gekennzeic hnet , daß der Verbrennungsraum (6) etwa 7ο bis So # des gesamten Kompressionsendvolumens beinhaltet.

7> Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche k bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (13) an der Zündkammer (7) möglichst nahe an der Einmündungsstelle des Verbindungskanales (12) angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche k bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (7) und/oder der Verbrennungsraum (6) eine der Kugelform möglichst gut angenäherte Gestalt haben.

9« Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche h bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmverbindung (19) vom Verbrennungeraum (6) in den Hubraum (i8) des Kolbens (5) wenigstens bereichsweise am Umfang eingeschnürt ist und zwar wenigstens an den Umfange-•teilen, die etwa lagegleich mit der Auftreffstelle eines Einspritzstrahles (15) liegen.

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ORIGINAL INSPECTED

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10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche h bis 9· dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer und der Verbrennungsraum in einen gemeinsamen vorzugsweise durch Eingießen in den Zylinderkopf (3) in ihm befestigten Einsatz (17) eingearbeitet sind.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß der Einsatz (17) aus einem schlechter als der übrige Zylinderkopfwerkstoff wärmeleitenden Werkstoff besteht.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche k bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Ladungswechselventile (2o_t 21), vorzugsweise das Auslaßventil (2o) am Verbrennungsraum (6) angeordnet ist und mit seinem Ventilteller (22) einen Teil der Wandung des Verbrennungsraumes (6) bildet.

13. Mehrstrahliges Einspritzventil für Hochdruck-Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer solchen nach den Ansprüchen h bis 11, mit einer durch Federkraft auf einen vorzugsweise konischen Ventilsitz gedrückten Ventilnadel, die hydraulisch durch den Förderdruck im Kraftstoff entgegen der Federkraft vom Ventilsitz abhebbar ist und mit einem in Strömungsrichtung außerhalb des Ventilsitzes angeordneten im wesentlichen zylindrischen etirnseitig nach aussen hin offenen oder geschlossenen Vorraum, in den sich ein Ventilnaderlzapfen vorzugsweise mit Spiel hinein erstreckt und mit wenigstens einer quer zur Ventilachse vorzugsweise unter einem spitzen Winkel angeordneten stromab vom Ventilsitz vom Vorraum abzweigenden Ab-

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spritzbohrung und mit Mitteln an dem Einspritzventil, die einen Einbau des Einspritzventiles in einer defl-? nierten Umfangslage - bezüglich seiner Längsachse betrachtet - sicherstellen, dadurch gekennzeichnet, daß zur gesteuerten Kraftstoffeinspritzung in einen in Richtung der genannten Abspritzbohrung (ho) liegenden Anteil (7) des Kompressionsraumes der Brennkraftmaschine die Ventilnadel (31, 32, 39) oder wenigstens ein Teil (39) der Ventilnadel von außen willkürlich verdrehbar ausgebildet ist und daß nach Art eines Drehschiebers am Umfang des Ventilnadelzapfens (39) Steuerflächen (3oa, 39b) vorgesehen sind, die je nach Umfangslage des Ventilnadelzapfens (39) relativ zur Abspritzbohrung (ko) deren innere Öffnung (4oa) mehr oder weniger freigeben.

]k. Einspritzventil nach Anspruch 13· dadurch' gekennzeichnet , daß die Steuerflächen (39a, 39b) in einem solchen axialen Bereich des Ventilnadelzapfens (39) angeordnet sind, der sich bei der im Betrieb am weitesten geöffneten Stellung der Ventilnadel (31, 32, 39) im Bereich der inneren Öffnung (hoa.) der Abspritzbohrung (Ί-o) befindet.

15· Einspritzventil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch

gekennzeichnet , daß die Abspritzbohrung (ko) geknickt verläuft.

16. Einspritzventil nach Anspruch 13» I'* oder 151 dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilnadelzapfen (39) gegenüber der Ventilnadel (31, 32, 39) •eiber drehbar gelagert und mit einem nach außen geführten Verdrehantrieb (^I, kU, 51, k6) versehen ist.

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17· Einspritzventil nach Anspruch 13 bis i6, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerflächen aus der zylindrischen Oberfläche (39b) des Ventilnadelzapfens (39) und aus der Form des Verlaufes der Begrenzungskant· (39a) dieser Zapfenoberfläche (39b) zu seinem freien Ende hin gebildet sind.

ο. Einspritzventil nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzungskante (39a) der Zapfenoberfläche (39b) an unterschiedlichen Umfangsstellen wenigstens bereichsweise an unterschiedlichen Axialpositionen verläuft.

19· Einspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzungskante (39a) wenigstens bereichsweise stufenweise verläuft.

20. Einspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzungskante (39a) wenigstens bereichsweise geneigt zur Zapfenachse verläuft·

21. Einspritzventil nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet , daß die geneigte Begrenzungskante (39a) durch einen schräg angebrachten wenigstens angenähert ebenen oder konischen Abschluß (66, 68) an der zylindrischen Zapfenoberfläche (39b) gebildet ist.

22. Einspritzventil nach Anspruch 2o oder 21, dadurch gekennzeichnet , daß die geneigte Begrenzung skan te (39a) durch einen exzentrisch angebrachten konischen Abschluß (6S) an der zylindrischen Zapfenoberfläche (39b) gebildet ist.

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