DE2849778C2

DE2849778C2 - Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2849778C2
Application number: DE2849778A
Authority: DE
Inventors: Heinz Ernst Axel Dipl.-Ing. Göteborg Holmer
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1985-10-24
Also published as: FR2410145B1; DE2849778A1; IT7852019A0; NL190084C; AU4167178A; CH640918A5; AU534505B2; NL7811473A; BR7807637A; NL190084B; JPS6261766B2; SE409492B; IT1107657B; US4399786A; JPS5482517A; US4273084A; SU1243635A3; GB2009317B; GB2009317A; SE7713231L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Von einer derartigen Maschine wird im Hinblick auf die Schrift »International Symposium on Alcohol Fuel Technology — Methanol and Ethanol« (Bericht über Vorträge vom 21. bis 23. November 1977) ausgegangen.

Brennkraftmaschinen nach dem Dieselprinzip mit einer Einspritzung dieser Art stoßen infolge der Tatsache, daß die Optimierung der Einspritzung für jede, d. h. für eine niedrige und eine hohe Belastung schwierig ist, immer noch große Mengen schädlicher Stoffe aus.

Aus der DE-PS 7 33 128 ist eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Kolbenbrennraum und einer ersten und zweiten Einspritzdüse bekannt. Das Einspritzen durch die zweite Düse für den Hilfskraftstoff erfolgt hier primär in eine getrennte Kammer außerhalb des tatsächlichen Brennraums. Beide Düsen spritzen ihren Brennstoff aber letztlich in den Kolbenbrennraum ein, wobei die zweite vor der ersten einspritzt, und zwar von der Seite her in Richtung auf die Mitteizone des Kolbenbrennraums mit einer Strahllänge, die die Mittelzone erreicht, und zwar entlang eines Kolbenradius, also in eine Richtung, die keine Komponente in Drehrichtung der Einlaßluft enthält, da sie senkrecht sowohl zu einer

ίο rechts als auch zu einer links gerichteten Drehung der Luft wäre. Die erste Einspritzdüse für den Hauptkraftstoff im Bereich der Mittelachse des Kolbenbrennraums ist eine Mehrlochdüse. Haupt- und Hilfskraftstoff sind von gleicher Art Die Verwendung unterschiedlicher Kraftstoffe wird in dieser Patentschrift aber als grundsätzlich bekannt vorausgesetzt

Aus der US-PS 17 67 701 ist es bekannt, bsi einer Brennkraftmaschine in den Brennraum, in dem Luft zirkuliert, über eine zentrale Mehrlochdüse leichtzündlieben Hiifskrsftstoff einzuspritzen. Vom äußeren Rand her erfolgt bei gleichzeitige Einspritzung des schwerzündlichen Hauptkraftstoffs von mindestens zwei Seiten, wobei der Hauptkraftstoff von der um die Brennraumachse rotierenden Luft mitgerissen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine weitere Verminderung der Schadstoffemission möglich wird, wobei weiter auch die Verbrennung eines Kraftstoffs mit einer geringen Zetan-Zahl, z. B. Methanol, als Hauptkraftstoff ermöglicht wird, um noch weiter zur Verminderung der Schadstoffemission beizutragen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst

Bei einer derartigen Einspritzung können die erste Einspritzdüse und eine ihr zugeordnete Einspritzpumpe für die hohe Kompression und die zweite Einspritzdüse und eine ihr zugeordnete Einspritzpumpe für eine niedrige Kompression optimiert werden. Durch Schrägeinspritzen von Dieselkraftstoff durch die letztere entgegen der Drehrichtung der Einlaßluft in eine mittlere Ringzone des Kolbenbrennraums wird eine schnelle Verzögerung des Kraftstoffs erreicht, der dadurch mittels der Luft bei minimaler Vermischung in der Randzone rund um die Mitte der Kolbenvertiefung getragen wird. Die hohe Konzentration der Kraftstofftröpfchen in dieser Zone schafft infolge der Tatsache, daß das Kraftstoff-Luftgemisch während der Zündverzögerungsperiode nicht zu mager wird, besonders gute Be-

so dingungen für die Kompressionszündung. Nur ein kleine' Teil der Randzone wird mit Luft in einem solchen Maße gemischt, daß das Kraftstoff-Luftgemisch außerhalb der Zündgrenzen liegt. Dies wird durch die Tatsache verdeutlicht, daß, wenn im Leerlauf nur die zweiten Einspritzdüsen Kraftstoff einspritzen, die Kohlenwasserstoffemission um 90% unterhalb 50 ppm HC, im Vergleich zur gleichen Maschine m«t einer gewöhnlichen Einspritzung, vermindert wird.
Ein weiteres Ergebnis der hohen Kraftstoffkonzentration in der Ringzone ist, daß die Verbrennung infolge des Mangels von Sauerstoff schnell verzögert wird. Diese Verzögerung der Verbrennungsgeschwindigkeit hat einen sehr niedrigen Geräuschpegel und die Verminderung der hohen Geräuschfrequenzen zur Folge, die üblicherweise die Verbrennung nach dem Dieselprinzip charakterisieren. Die Verbrennung mit verminderter Sauerstoffzufuhr erzeugt Ruß, so daß nur eine begrenzte Kraftstoffmenge über die zweite Einspritzdüse einge-

spritzt werden kann, um eine zu hohe Rauchentwicklung zu vermeiden.

Diese Zone der heißen Gase und der glühenden Rußteilchen, die aufgrund der Verbrennung des Kraftstoffs der zweiten Einspritzdüse erzeugt wird, zündet den Kraftstoff von der ersten Einspritzdüse, wenn diese bei hoher Kompression Kraftstoff einspritzt Aus diesem Grund kann der zuletzt erwähnte Kraftstoff ein Kraftstoff mit einer niedrigen Zetan-Zahl, z. B. mit Methanol, sein. Die folgende Verbrennung des Kraftstoffs der ersten Einspritzdüse, die für eine maximale Verteilung des Kraftstoffs in der Verbrennungsluft aasglegt ist, erzeugt eine niedrige Stickoxidemission, da keine plötzliche Verbrennung großer Mengen eines Kraftstoff-Luftgemischs stattfindet, das sich während einer Zündverzögerungsperiode mit sich dadurch ergebenden örtlichen, hohen Temperaturen angesammelt hat

Untersuchungen mit Diesel-Methanol-Kraftstoff haben sehr geringe Emissionen von Stickoxiden und schwarzem Rauch zum Ergebnis gehabt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden n?,ner beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Aufsicht auf eine Brennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip mit einer Ein-Spritzanlage, weiche die Grundlage für die Erfindung bildet, und

Fig.2 bis 4 eine Aufsicht auf einen Kolben und Schnitte von zwei Seiten des Kolbens, zur Darstellung des Kolbenbrennraums und der Einspritzrichtung des Kraftstoffs.

Die in F i g. 1 gezeigte Maschine weist eine erste Einspritzpumpe 1 mit einem Regler 2 auf. Die Pumpe ist eine gewöhnliche Reihenpumpe, die über Zuführleitungen 3 Kraftstoff ersten Einspritzdüsen 4 mit vier Düsenlöchern zuführt Die Pumpe 1 wird auf gewöhnliche Weise von der Maschinenkurbelwelle über ein Getriebe und eine Welle 5 angetrieben.

Die Maschine ist außerdem mit einer zweiten Einspritzpumpe 6 mit einem Regler versehen. In dem gezeigten Beispiel ist die Pumpe 6 eine Verteilerpumpe, die über Zuführleitungen 7 Kraftstoff zweiten Einspritzdüsen 8 zuführt, die jeweils ein Düsenloch aufweisen. Die Pumpe 6 wird ebenfalls durch die Maschinenkurbelwelle über ein Getriebe angetrieben. Ein Gestänge 9 verbindet defv Regler der Pumpe 6 mit Jem Regler 2 der Pumpe t und dem Gaspedalgestänge 10. Die Pumpe 6 hat zwei Fördermengeneinstellungen. Das größere Fördermengenvolumen wird nur zum Starten und Aufwärmen verwendet, während das geringere im normalen Fahrbetrieb verwendet wird. Die Pumpe 6 umfaßt weiter einen drehzahlabhängig^ Regler zur Einstellung des Kraftstoff-Einspritzzeitpunktes.

Der Einspritzwinkel der ersten Pumpe 1 wird um ungefähr 10° des Drehwinkels der Kurbelwelle später als der der zweiten Pumpe 6 eingestellt, so daß der Kraftstoff von der Pumpe 1 nicht die Zündverzögerung und die Zündung des Kraftstoffs von der Pumpe 6 stört Die zwei Pumpenregler sind über das Gestänge 9 in einer solchen Weise verbunden, daß bei einer niedrigen BeIastung (Leerlauf) nur die Einspritzpumpe 6 Kraftstoff einspritzt und daß, wenn die Belastung ansteigt, zuerst die Einspritzpumpe 6 das Fördervolumen bis zu ihrer Grenze steigert (das eingestellte Einspritzvolumen für den Fahrbetrieb), und daß dann die Einspritzpumpe 1 das Einspritzvolumen steigert, daß für die gewünschte Belastung erforderlich ist Wenn die Belastung vermindert wird, vermindert zuerst die Einspritzpumpe 1 ihr

Fördervolumen.

Die hier beschriebene Einspritzung besteht aus zwei unabhängigen Einspritzungen, wobei die zweite eine Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge mit einer hohen Zetan-Zahl, z. B. Dieselkraftstoff, zur Verminderung der hohen Wasserstoffemission bei niedriger Belastung und zur Einleitung der Verbrennung ist während die erste Einspritzung eine Einspritzung des für die in Frage stehende Kompression benötigten Kraftstoffs ist Der letztere Kraftstoff kann ein Dieselkraftstoff oder ein Kraftstoff mit einer geringen Zetan-Zahl, z. B. ein Alkohol in Form von Methanol, sein.

Zur Erreichung eines geeigneten Kraftstoff-Luftgemischs muß von der zweiten Einspritzdüse der Kraftstoff in eine Ringzone um die Mitte des Kolbenbrennraums eingespritzt werden. Zu diesem Zweck wird die zweite Einspritzdüse 8 so angeordnet daß der Kraftstoff gegen die Rotation der Einlaßluft in den Kolbenbrennraum eingespritzt wird. Dies ist in den F i g. 2 bis 4 gezeigt, in denen A den Kolbenbrennraum, B die Einspritzeinrichtung der zweiten EinspritziWise 8. Cdie Einspritzrichtung der ersten Einspritzdüse 4 ui.d D die Rotationsrichtung der Einlaßluft bezeichnet Auf der linken Seite in Fig.2 deutet der strichpunktierte Kreis die Anordnung des Einlaßventils und auf der rechten Seite deutet de* strichpunktierte Kreis die Anordnung des Auslaßventils an. Die obere Wand des Brennraums liegt in der Ebene der x-y Achsen.

Die Fig.2 bis 4 zeigen die Bedingungen einer für Testversuche verwendeten Brennkraftmaschine. Die erste Einspritzdüse 4 hatte vier Dosenlocher, die den Kraftstoff in einer gleichförmigen Verteilung rund um die vertikale Mittelachse Z der Vertiefung A sprühten, wie dies mittels der Pfeile C angezeigt ist Die zweite Einspritzdüse 8 spritzte den Kraftstoff durch eine Düsenöffnung in eine Richtung ein, die mittels des Pfeils B bezeichnet ist

Optimale Ergebnisse, mit einer Kohlenwasserstoffemissionsverminderung um 90% im Leerlauf, wurden z. B. erhalten, wenn die Projektion des Pfeils ß(die Richtung .-',er Einspritzung) auf die Querschnittsebene des Kolbens, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist eine Tangente an einen Kreis ist dessen Radius r ungefähr ⁴A₀ des Radius R des Kolbenbrennraums betrug und der Winkd « mit dieser Ebene ungefähr 15° betrug. Wenn dir Kraftstoff näher zur Mitte des Kolbenbrennraums (Verminderung vor. r) eingespritzt wurde, stieg die Rußmenge, während die Kohlenwasserstoffemission bei einer Einspritzung weiter von der Mitte weg (Zunahme von r) stieg. Abhängig vom Maschinentyp betrug r das 035 bis 0,45fache von R und der Winkel α etwa 10° bis 20°.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstzündende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Einspritzdüse zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Kolbenbrennraum, um dessen Mittelachse die Luft rotiert, und durch die erste Einspritzdüse Hauptkraftstoff und durch die zweite Einspritzdüse leicht zündlicher Hilfskraftstoff zeitlich vor dem Hauptkraftstoff eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkraftstoff mit großer, gleichförmiger Verteilung rund um die Mittelachse (Z) des Kolbenbrennraums (A) im wesentlichen in Richtung auf die Brennraumwand eingespritzt wird, und daß der Hilfskraftstoff von der Seite her mit kleiner Verteilung entgegen der Drehrichtung der Luft in eine mittlere Ringzone des Kolbenbrennraums zwischen Brennraumwand und Mittelachse derart eingespritzt wird, daß dessen Zündverzögerung und Zündung nicht durch den Hauptkraftstoff gestört ist

2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einspritzdüse (4) mehrere Düsenlöcher und die zweite Einspritzdüse (8) ein einziges Düsenloch aufweisen.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einspritzdüse (8) zur Einspritzung des Kraftstoffs von einer Stelle an oder in der Nähe des Umfangs des Kolbenbrennraums so angeordnet ist, daß die Einspritzrichtung (B) einen Winkel (λ) zwischen 10° und 20°, vorzugsweise etwa 15°, mit einer Querschnittsebene des Zylinders bildet und ihre Projektion auf diese Ebene eine Tangente an einen zum Umfang des Kolbenbrennraums konzentrischen Kreis ist, dessen Radius (r)das 0,35—0,45fache, vorzugsweise das 0,4fache des Radius (R) des Kolbenbrennraums beträgt

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Startvorgang, das Aufwärmen und den Leerlauf nur Hilfskraftstoff eingespritzt wird.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkr2ftstoff um etwa 10° des Kurbelwellendrehwinkels nach dem Hilfskraftstoff eingespritzt wird.