DE2757648C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Eine durch die DE-OS 23 30 613 bekannte Hubkolbenbrennkraftmaschine hat einen Kolben, der eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist und im oberen Totpunkt die eine Begrenzungsfläche eines scheibenför­ migen Teilbrennraumes bildet, welcher im Zylinderkopf ausgebildet ist und in dessen Wandbereich eine Zündkerze angeordnet ist und der auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite durch den Ventil­ teller eines Einlaßventils begrenzt ist. Dem Einlaßventil ist ein Saugkanal vorgeordnet, durch den ein relativ brennstoffarmes Gemisch aus Luft und Brennstoff zugeführt wird. Der Teilbrennraum weist ein volumen auf, das etwa 50% oder mehr des Volumens eines Hauptbrenn­ raumes umfaßt, der sich unterhalb einer unteren Begrenzungsfläche des Zylinderkopfes befindet. Während eines Ansaugtakts durch den Saugkanal eingeströmtes Gemisch gelangt großenteils durch den Teil­ brennraum in den Hauptbrennraum und wird während eines nachfolgenden Verdichtungstakts teilweise in den Teilbrennraum zurückgeschoben zur Ausbildung eines Wirbelflusses in dem Teilbrennraum zur weiteren Vermischung des Luft-Brennstoff-Gemisches in dem Teilbrennraum. Da­ bei wird der vermischend wirkende Wirbelfluß intensiviert durch eine ausgeprägte Versetzung der Symmetrieachse des Teilbrennraums relativ zur Achse des Zylinders. Die dadurch bewirkte ausgeprägte, homogene Vermischung erhöht die Wirksamkeit der Zündung. Die Abmagerungs­ grenze des Gemisches ist erreicht, wenn durch den absinkenden Ener­ gieinhalt der homogenen Mischung nach der elektrischen Zündung kein ausreichendes Flammenwachstum zustande kommt. Nachteilig bei dieser Brennkraftmaschine ist also, daß in Folge der intensiven Vermischung des angesaugten Gemisches eine weitere Erhöhung des insgesamt vor­ handenen Luftüberschusses nicht mögIich ist.

Bei einer durch die DE-OS 22 59 888 bekannten Brennkraftmaschine ist der über den Kolben in den Zylindern eingeschlossene Brennraum am Ende des Kompressionshubs in der seitlichen Erstreckung auf den Zy­ linderdurchmesser beschränkt und durch jeweils einen Zwischensteg in zwei symmetrische scheibenförmige Teilbrennräume mit nierenförmigem Querschnitt aufgeteilt, deren Decke durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und zum Teil durch die dort angeordneten Ventil­ teller des Einlaßventils bzw. des Auslaßventils gebildet ist. Diese Ausgestaltung dient dem Ziel, eine Ladungsschichtung zu erhalten. Dabei wird der Kraftstoff mittels einer im Saugrohr angeordneten Einspritzdüse während der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes einge­ spritzt und durch den Ansaugstrom über das Einlaßventil in den einen Teilbrennraum eingebracht. Durch diese Maßnahme soll erreicht wer­ den, daß der Kraftstoff vorwiegend in dem dem Einlaßventil zugeord­ neten Teilbrennraum verbleibt, in dem auch die Zündkerze angeordnet ist. Um eine solche Gemischtrennung einzuhalten, wird bei dem bekannten Stand der Technik verlangt, daß die in den Brennraum ein­ strömende Luft möglichst drall- und wirbelfrei ist. Die Einspritzung des Kraftstoffs in das Saugrohr hat dabei den Nachteil, daß zwischen Einspritzstelle und Einlaßventil ein Pufferraum vorhanden ist, durch den eine exakte Zeitsteuerung für den Einspritzvorgang nicht einge­ halten werden kann. Je nach Last und Drehzahl ändern sich die Zei­ ten, bis der Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Andererseits be­ steht die Möglichkeit, daß Kraftstoff nach Schließen des Einlaßven­ tils noch weiterhin in das Saugrohr abgegeben wird und dort vorge­ lagert wird, so daß während des nächsten Ansaugtaktes hier bereits Teilkraftstoffmengen in den Brennraum kommen, die gerade jene ge­ wünschte Schichtung wenigstens zum Teil verhindern. Ferner ist die Forderung nach einer drallfreien Zuströmung der Ansaugluft kaum durchführbar. Um den Einspritzzeitpunkt genauer zu beherrschen, wur­ de bereits vorgeschlagen, den Kraftstoff mittels einer mit dem Ein­ laßventil kombinierten Einspritzdüse einzubringen, bei dem der Ein­ spritzvorgang durch die Öffnungsbewegung des Einlaßventils gesteuert wird. Dabei erfolgt die Einspritzung direkt am Ventilteller vorbei in den Brennraum. Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß je­ ne geforderte späte Einspritzung unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils nicht verwirklichbar ist.

Eine durch die DE-OS 25 47 036 beschriebene Brennkraftmaschine be­ sitzt lediglich einen einzigen Brennraum je Zylinder, der durch ein Einlaßventil und eine diesem vorgeordnete Ansaugleitung mit Luft füllbar ist. Um einen Ventilschaft des Einlaßventils herum sind in gleichen Abständen drei Einspritzdüsen angeordnet. Durch geeignete Ausrichtung der Einspritzdüsen soll eine drallförmige Einspritzung entstehen und eine in etwa spiralförmig geschichtete Gemischladung. Dabei werden anfangs gebündelte Brennstoffstrahlen angenommen beim Einströmen von Kraftstoff und Luft zwischen dem Ventilsitzring des Einlaßventils und dessen Einlaßventilkegel. Demgemäß beginnt die Einspritzung und die Drallbildung beim Öffnen des Einlaßventils. Hierdurch wird viel Brennstoff tief in den Zylinder eingesaugt. Die DE-OS 25 47 036 läßt offen, wie das Verhältnis von einströmenden Luftmengen und einge­ spritzten Brennstoffmengen einzusteIlen ist, und wo eine Zündkerze anzuordnen ist zur sicheren Zündung von entstehendem Gemisch.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Brennkraftmaschine, die einen Teilbrennraum besitzt, zwecks Verminderung von schädlichen Abgasen so zu verbessern. daß sie mit einem insgesamt höheren Luftüberschuß, also mit einer noch brennstoffärmeren bzw. mageren Ladung betreibbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels der Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Diese Brennkraftmaschine ist in Folge der sehr spät gegen Ende des Ansaug­ taktes durchführbaren Kraftstoffeinspritzung zum Betrieb mit ausge­ prägter Ladungsschichtung besonders geeignet und kann deshalb mit einem erhöhten Luftüberschuß in der Ladung betrieben werden.

VorteiI der Brennkraftmaschine ist weiterhin, daß der Ort der Ein­ spritzung sowie der Zeitpunkt und die Dauer der Einspritzung wesent­ lich genauer kontrolliert werden können und daß die Voraussetzungen für eine Ladungsschichtung besser eingehalten werden können. Die mit einem etwas höheren Einspritzdruck als der des bekannten Saugrohr­ einspritzventils arbeitende Einspritzdüse ermöglicht eine gezielte Einspritzung des nahezu gesamten Kraftstoffs direkt in den Brenn­ raum. Dadurch kommt die gesamte Einspritzmenge erst im Brennraum zur Verdampfung, so daß die gesamte für die Verdampfung benötigte Energie der Innenkühlung des Brennraums zugute kommt. Aufgrund die­ ser Innenkühlung ist es entsprechend möglich, durch bessere Füllung die Leistung zu erhöhen. Das damit weiterhin erreichbare Hinaus­ schieben der Klopfgrenze in Richtung kraftstoffärmerer Betriebsgemi­ sche ermöglicht eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und da­ mit eine Verbesserung des Wirkungsgrades.

Die genaue Einspritzung und die Möglichkeit der genauen Zeitsteue­ rung erhöhen bei kurzer Einspritzdauer den Grad der Kraftstoffkonzentration im scheibenförmigen Teil­ brennraum. Die Anordnung des Brennraums im Zylinderkopf, also nicht im sich bewegenden Kolben hat den Vorteil, daß die sich ständig ändernde Stellung des Kolbens keinen wesentlichen und insbesondere nachteiligen Einfluß auf die Gemischbildung in dem Teilbrennraum hat. Die Auslegung der Winkellage der Einspritzstrahlen kann so erfolgen, daß in Bezug auf die Einspritzstelle sich eine weitgehende Gleichverteilung des eingespritzten Kraftstoffes am Umfang des Einlaßventils ergibt.

Durch in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Ausführung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Saugleitung so ausgebildet ist, daß die in den Brennraum einströmende Luft einen Drall bekommt, wobei die Achse des Einlaßventils koaxial zur Achse des scheibenförmigen Teilbrennraumes ist. Aufgrund dieser Konstruktion erhält die in den Teilbrennraum eintretende Luft einen starken Drall, der eine verstärkte Schichtung von kraft­ stoffreichem Gemisch gegenüber kraftstoffarmen Gemisch ermöglicht.

Zeichnung

Ein Ausührungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes und des Zylinders einer Brennkraftmaschine und Fig. 2 einen Querschnitt dazu durch den Teilbrennraum.

Beschreibung

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 als Schnitt gezeigt, der durch die Achse der sich anschließenden Zylinderbohrung 3 bzw. des darin in bekannter Weise bewegbaren Kolbens 4 geht. Zwischen dem Kolben, der sich im gezeigten Beispel in seiner oberen Totpunktlage befindet, und dem Zylinder­ kopf 1 wird das Kompressionsendvolumen des Brennraums eingeschlossen. Der Kolbenboden 6 ist im wesentlichen eben und weist ggfs. Ausnehmungen 8 für eine ungehinderte Durchführung des Öffnungshubs von Auslaßventilen 9 auf. Wie dem Schnitt gemäß Fig. 2 zu entnehmen ist, sind zwei konventionelle Auslaßventile 9 vorgesehen, wobei die Ventilteller 10 noch innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungsdurchmessers liegt.

Getrennt durch einen Steg 12 ist im Zylinderkopf eine kreisscheibenförmige Ausnehmung vorgesehen, die einen Teilbrennraum 14 bildet, der nahezu das gesamte Kompres­ sionsendvolumen des Brennraums umfaßt. Auf der einen Seite ist dieser Teilbrennraum durch den ebenen Kolbenboden 6 begrenzt und auf der gegenüberliegenden Seite durch den Ventilteller 16 des einzigen Einlaßventils 17. In der Mitte des scheibenförmigen Brennraums 14 ist dieser bauchig erweitert, so daß sich das öffnende Einlaßventil 17 mit dem Teller 16 ungehindert an der dort radial eingeschraubten Zündkerze 20 vorbei bewegen kann und insbesondere für die einströmende Luftfüllung ein Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Zum Kolbenboden hin verringert sich der Durchmesser des kreisscheibenförmigen Brennraums 14, wobei der Durchmesser 18 am Übergang zu dem übrigen Brennraum innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungs­ durchmessers liegt.

Jenseits des Sitzes 22 des Einlaßventils schließt sich der Saugkanal 24 der Brennkraftmaschine an, die in diesem Fall so ausgebildet ist, daß die dort bei geöffneten Einlaßventil 17 in den Teilbrennraum 14 strömende Luft in Rotation gerät, wobei die Achse des somit im Teilbrennraum 14 entstehenden Wirbels koaxial zur Achse des Teilbrennraums und zur Achse des Einlaßventils liegt. Maßnahmen zur Erzeugung einer solchen Luftbewegung sind bekannt, sie können durch Dralleinsätze im Saugrohr durch die besondere Gestaltung des Ventil­ tellers oder durch die Geometrie des Saugkanals selbst bewirkt werden.

Unmittelbar stromaufwärts des Ventiltellers 16 ragt eine Einspritzdüse 25 in den Saugkanal, die vorteilhaft als Mehrlocheinspritzdüse ausgebildet ist, wobei die einzelnen Kraftstoffeinspritzstrahlen 26 so gerichtet sind, daß sie bei geöffnetem Einlaßventil (gestrichelte Stellung) durch den zwischen Ventilteller 16 und Ventil­ sitz 22 entstehenden Ringspalt 27 in den Teilbrennraum 14 eintreten. In der Draufsicht gemäß Fig. 2 sind diese Einspritzstrahlen als gestrichelte Linien wiedergegeben. Es ist daraus zu ersehen, wie diese Strahlen am Ventilschaft des Eingangsventils vorbeigehen und wie eine Mengen­ gleichverteilung über den Umfang des Ventilöffnungs­ querschnittes erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet in folgender Weise: Nach Beendigung des Ausschubtaktes der hier nach dem Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung wird über den Saugkanal 24 während der Abwärtsbewegung des Kolbens 4 bei geöffnetem Einlaß­ ventil Frischluft in der Weise angesaugt, daß in dem Teilbrennraum 14 eine ausgeprägte, gerichtete Wirbel­ strömung entlang der kreisförmig verlaufenden Wände auftritt. Erst gegen Ende des Ansaugtaktes erfolgt gesteuert die Einspritzung des zugemessenen Kraftstoffs durch das Einspritzventil 25 in der oben beschriebenen Weise. Länge und Winkel der Einspritzstrahlen sind dabei so bemessen, daß eine möglichst geringe Brennraumwandbenetzung auftritt. Dieses ist insofern leicht erreichbar, als die Kraftstoffeinspritzstrahlen direkt in den sich nicht bewegenden Brennraum gerichtet sind, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, wo der Brennraum im sich bewegenden Kolben liegt und dann eine nicht-benetzende Einspritzung nur möglich ist durch Einspritzung gegen den Kompressionsdruck mit den bekannten Nachteilen der den Brennraumtemperaturen ausgesetzten Einspritzdüse.

Der Zeitabschnitt, während dem eingespritzt wird, liegt möglichst nahe vor dem Schließen des Einlaßventils, um somit zu verhindern, daß der Kraftstoff weit in den Zylinderraum, der zu diesem Zeitpunkt noch einen großen Teil des Hubvolumens umfaßt, getragen wird. Während des anschließenden Kompressionshubs verbleibt die kurz zuvor eingespritzte Kraftstoffmenge innerhalb des Teilbrennraumes und hat dabei die Möglichkeit, sich in dem rotierenden Luftwirbel über den Umfang gleichmäßig zu verteilen und unter Einwirkung der Fliehkraft sich radial zu schichten.

Dadurch, daß die gesamte im Brennraum zur Verbrennung kommende Kraftstoffmenge erst im Teilbrennraum ver­ dampft, kommt es durch Wärmeentzug zu einer Innenkühlung des Gemisches, das somit bei gleicher Kraftstoffqualität stärker verdichtet werden kann, ohne daß es zu Selbst­ zündungen oder einer klopfenden Verbrennung kommt. Klopfhemmend wirkt außerdem die geordnete Gemischströmung im Teilbrennraum. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ist somit erhöht.

Aus diesem Grunde und zur Verbesserung der Luftfüllung liegen der Teilbrennraum mit dem Einlaßventil sowie die beiden Auslaßventile alle innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungsdurchmessers. Der Brennraum ist dabei wenig zerklüftet und die Ansaugdrosselverluste sind gering. Um bei der vorgegebenen Brennraumanordnung den nötigen Ventilöffnungsquerschnitt für geringe Drosselverluste beim Ausschieben der verbrannten Abgase zu bekommen, sind in vorteilhafter Weise die Auslaßventile zweifach vorge­ sehen. Die Zündkerze 20 ist vorteilhaft im Teilbrennraum so angeordnet, daß bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 entstehende Quetschströmung auf die Zündkerze hin gerichtet ist.

Die Zünd- und Durchbrennwilligkeit eines mageren Kraft­ stoff/Luft-Gemisches wird nämlich sowohl durch die starke Drallbewegung des Gemisches als auch durch eine Quetsch­ strömung, die die radial geschichtete Ladung in Richtung zur Zündkerze verlagert, verbessert. Die Quetschströmung entsteht durch Abströmen der Luftfüllung aus dem flachen Restbrennraum zwischen Kolben und dem auslaßventilseitigen Teil des Zylinderkopfes in den kreisscheibenförmigen Teil­ brennraum 14. Die Intensität wird durch das Verhältnis der kolbenseitigen Grundfläche des flachen Teils des Brennraums zur Grundfläche des aufnehmenden Teilbrennraumes bestimmt sowie durch den geometrisch bedingten Grenzwert des kleinsten noch beherrschbaren Spaltmaßes zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf im flachen Teil des Brenn­ raumes bei der oberen Totpunktlage des Kolbens. Das Ausmaß der Schichtung ist durch die auslegungsgemäße Intensität des Dralls bestimmbar. Bei Verwendung von Dralleinbauten wie z. B. Drallklappen erfolgt das über die Auslegung des Anstellwinkels der Drallklappen.

Bei schwach ausgelegtem Drall ergibt sich ein homogenes Gemisch mit der bekannten Anreicherungsmöglichkeit zur Erhöhung der Leistung pro Hubvolumen bei Vollast im fetten Gemischbereich. Damit ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei verschiedenen Zielrichtungen auslegbar, einer­ seits eine Schichtung des Betriebsgemisches aus Luft und Kraftstoff, um einen Magerbetrieb zu ermöglichen und andererseits bei Betrieb mit homogener Ladung eine höhere Hubraumleistung zu erzielen.

Die Gemischaufbereitung kann weiterhin durch starke Einschnürung des Teilbrennraums 14 am Übergang zum übrigen Brennraum verbessert werden, wobei jedoch erhöhte Über­ schiebverluste auftreten.

Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, eine Brennkraftmaschine bei gutem Wirkungsgrad und bei niedrigen schädlichen Abgasbe­ standteilen auch mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch zu betreiben. Zur Einhaltung der Abgasvorschriften sind ferner alle Möglichkeiten geboten, die Abgaszusammen­ setzung noch weiterhin zu verbessern, indem die Kraft­ stoffmenge durch die Einspritzanlage genau dosiert wird. Die Brennkraftmaschine kann wegen der günstigen Durchbrennverhältnisse z. B. mit hohem Anteil rückge­ führter Abgasmenge betrieben werden. In Ergänzung kann in der Abgassammelleitung ein Katalysator zur Nachver­ brennung angeordnet sein.

Claims (8)

1. Fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, mit einem Kolben, der eine im wesent­ lichen ebene Oberfläche aufweist und im oberen Totpunkt die eine Be­ grenzungsfläche eines scheibenförmigen Teilbrennraumes bildet, wel­ cher im Zylinderkopf ausgebildet und in dessen Wandbereich eine Zündkerze angeordnet ist und der auf der dem Kolbenboden gegenüber­ liegenden Seite durch den Ventilteller eines Einlaßventils begrenzt ist, und mit einem Saugkanal, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Saugkanal eine zum Ventilteller des Einlaßventils hin gerichtete Einspritzdüse angeordnet ist, daß die Einspritzdüse den austretenden Kraftstoff nahezu frei durch den bei geöffnetem Einlaßventil gebil­ deten Ringspalt hindurch in den Teilbrennraum gespritzt wird, daß dieser Teilbrennraum den überwiegenden Volumenteil des Kompressions­ endvolumens aufweist, und daß die Kraftstoffeinspritzung gegen Ende des Ansaugtaktes erfolgt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Einspritzdüse der Kraftstoff gleichmäßig am Umfang des Ventil­ tellers (16) verteilt einspritzbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (25) als Mehrlochdüse ausgestaltet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Spritzdauer der Einspritzdüse unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils (17) liegt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Ansaugluft in den Brennraum so ausgebildet ist, daß die in den Brennraum einströmende Luft einen Drall bekommt, dessen Achse koaxial zur Achse des Einlaßventils und zur Achse des scheibenförmigen Teilbrennraumes (14) ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zündkerze (20) in der Wand des Teilbrennraums (14) so angeordnet ist, daß sie in Richtung der Quetschströmung der beim Kompressionshub zur Verdichtung kommenden Ladung liegt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im Teilbrennraum rotierende Kraftstoff/Luft-Gemisch durch die Quetschströmung in Richtung zur Einbaustelle der Zündkerze (20) verschiebbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der scheiben­ förmige Teilbrennraum (14) einen zum Kolbenboden (6) hin abnehmenden Durchmesser aufweist.