DE2915514A1

DE2915514A1 - Verbrennungsmotor mit fremdzuendung und benzineinspritzung

Info

Publication number: DE2915514A1
Application number: DE19792915514
Authority: DE
Inventors: Giulio Arietti; Giampiero Borello; Sergio Occella
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1979-10-25
Also published as: CA1092458A; ES479630A1; SE7903343L; FR2426155A1; FR2426155B1; US4270498A; GB2021684A; DE2915514C2; GB2021684B

Description

Päientanwäite

Dipl. Ing. H. Weidmann, Dipl. Ph'/s Dr. Y. Findce Dipl. Ing. F. A. Weicküiann, Dipl. them. E. Hubur

Dr.-Ing. H. Liska

Möhlsfralje 22, 8000 München 85 2915514

Wa 3

1 / irn! 1Q7Q CEKTRO RICERCHE FIAT S.p.A. " '·"' ^{J α}

Strada Torino, 50
Orbassano (Turin) / Italien

Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Benzineinspritzung.

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Benzineinspritzung,. bei dem der überwiegende Volumenteil des Verbrennungsraumes von einer aus dem Kolben herausgearbeiteten Mulde gebildet wird.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbrennungsmotoren, in denen ein inhomogenes Kraftstoffgemisch verbrannt wird, die mit Gemischschichtung arbeiten, bei denen sich also die Dosierung im Verbrennungsraum von Punkt zu Punkt ändert und im Nachbarbereich der Zündkerze am reichsten ist»

Bei bekannten Motoren mit Gemischechiehtung ergeben sich bei niedriger Belastung bzw. bei niedrigem Drehmoment eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches sowie eine geringere Luftverschmutzung durch die in den Auspuffgasen enthaltenen Kohlen- und Stickstoffoxyde.

Außerdem erlauben derartige Motoren die Verwendung von Kraftstoffen mit geringerer Klopffestigkeit, die sowohl billiger als auch weniger umwelbelastend sind. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das inhomogene Kraftstoffgemisch im Mittel magerer sein kann und daher nicht zur Selbstzündung neigt.

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Bekannte Motoren mit Gemischschichtung haben jedoch den Nachteil, daß die maximal erreichbare spezifische Leistung vergleichsweise gering ist und daß Kraftstoffverbrauch und Kohlenstoffemission bei Vollast beträchtlich groß sind.

Dieser Nachteil ist im Grundsatz darauf zurückzuführen, daß die Ladungsbildung, die so ausgestaltet ist, daß bei niedrigen Belastungen im Bereich der Zündkerze eine Kraftstoffkonzentration erreicht wird, die auch bei im Mittel sehr mageren Gemischen eine sichere Zündung gewährleistet, bei Vollast des Motors nicht hinreichend kontrollierbar ist und eine außerordentlich starke Anreicherung des Kraftstoff gemisches verursacht. Die Notwendigkeit, die Gemischschichtung bis zum Zündzeitpunkt herzustellen und beizubehalten, erschwert außerdem die rasche Durchmischung zwischen den Verbrennungsprodukten aus den Zonen mit reicher Dosierung und dem übrigen Kraftstoffgemisch, das eine magere Dosierung besitzt. Die Verbrennung des reichen Anteiles der Ladung kann trotz der schnellen Ausbreitung der Flamme nur dann vollständig sein, wenn eine rechtzeitige und gründliche Durchmischung mit dem überschüssigen Sauerstoff aus dem verbleibenden mageren Ladungsanteil gewährleistet ist. Wenn diese Durchmischung nicht genügend schnell und gründlich stattfindet, bilden sich Kohlenoxyde. Außerdem ist die Verbrennungsdauer sehr groß. Die Durchmischung muß auch deshalb rasch erfolgen, damit die Ver-brennungsprodukte des reichen Ladungsanteiles, die nach neueren Untersuchungen die Verbrennung des mageren Gemischanteiles durch ihre erhöhte Reaktionsfähigkeit beschleunigen, voll ausgenutzt werden können.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Benzineinspritzung zu schaffen, dem die vorangehend beschriebenen Nachteile nicht anhaften und bei dem es möglich ist, die Schichtung des Kraftstoffes in unterschiedlichem und in Abhängigkeit von der Leistung und der Belastung des Motors steuerbarem Maße zu realisieren.

Ausgehend von einem Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Benzineinspritzung, bei dem der überwiegende Volumenteil des Verbrennungsraumes von einer aus dem Kolben herausgearbeiteten Mulde gebildet wird, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

- Die Einspritzdüse liegt in der Seitenwandung des Zylinders im Nachbarbereich des Zylinderkopfes,

- der von der aus dem Kolben herausgearbeiteten Mulde gebildete Teil des Verbrennungsraumes ist derart auf einem Teil des Kolbenbodens konzentriert, daß das Kraftstoffgemisch ausgedehnte Stauchungszonen zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf bildet,

- der Zylinderkopf besitzt an der der Einspritzdüse gegenüberliegenden Seite eine Vorkammer, in der sich die Elektroden einer Zündkerze befinden,

- die Einspritzdüse „ist derart gestaltet und ausgerichtet, daß sie wenigstens einen Teil des Kraftstoffes in eine im Nachbarbereich der Vorkammer liegende Zone leitet,die einen Teil des Volumens des Verbrennungsraumes bildet.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Einspritzdüse und das geometrische Zentrum der Vorkammer im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, die eine Diametralebene, vorzugsweise die senkrecht zur Kurbelwelle des Motors verlaufende Diametralebene, des Zylinders ist und daß der aus dem Kolben herausgearbeitete Teil des Verbrennungsraumes symmetrisch zu dieser Ebene angeordnet ist.

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Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine teilweise unterbrochene Längsschnitt-

darstyellung eines Motors gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt eine Aufsicht der Kolben des in Fig. 1 dargestellten Motors,

Fig. 3 zeigt eine erste Variante von Fig. 1, Fig. 4 zeigt eine Aufsicht der Kolben des in Fig. 3 dargestellten Motors,

Fig. 5 zeigt eine zweite Variante von Fig. 1, Fig. 6 zeigt einen Schnitt der Linie VI-VI von Fig. 5, Fig» 7 zeigt eine dritte Variante von Fig. 1, Fig. 8 zeigt eine Aufsicht der Kolben des in Fig. 7 dargestellten Motors,
Fig. 9 zeigt eine vierte Variante von Fig. 1 während des Kompressionstaktes des Motors,

Fig.10 zeigt eine Aufsicht der Kolben des in Fig. 9 dargestellten Motors,
Fig.11 zeigt eine zu Fig. 9 analoge Ansicht während der Verbrennungsphase des Motors,

Fig.12 zeigt eine schematische Ansicht einer Einzelheit von Fig. 9 und 11 in teilweise geschnittener Darstellung und größerem Maßstab, Fig.13 bis 20 Varianten der Aufprallfläche. Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Verbrennungsmotor ist ein Otto-Motor, dessen Zylinder mit 12 bezeichnet ist. Im Innern des Zylinders 12 befindet sich ein axial verschiebbarer und gegen die Zylinderwandung abgedichteter Kolben 14, der an seiner Unterseite über einen Bolzen 16 gelenkig mit einem Ende einer Pleuelstange 18 verbunden ist.

Die Oberseite des Zylinders 12 ist von einem Zylinderkopf

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20 verschlossen, in welchem ein Ansaugventil 22 und ein in der Zeichnung nicht erkennbares Auslaßventil axial verschiebbar montiert sind. Das Ansaugventil 22 und das Auslaßventil werden von einer Nockenwelle 24 derart gesteuert, daß sie in zeitgerechter Weise den Lufteintritt durch das Luftansaugrohr 26 in das Innere des Zylinders bzw. den Austritt der Verbrennungsgase aus dem Zylinder und durch eine Auslaßleitung 28 ermöglichen.

Mit 30 ist eine Vorkammer bezeichnet, die sich im Innern des Zylinderkopfes 20 in der Nähe eines Teiles des oberen Randes des Zylinders 12 befindet. Im Innern der Vorkammer 30, die in ihrem unteren Teil über eine Eingt ngsöffnung mit dem Hohlraum des Zylinders 12 in Verbindung steht, liegen sich die Elektroden 22 einer im wesentlichen horizontal angeordneten Zündkerze 34 gegenüber.

Mit 36 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse bezeichnet, die in der Seitenwandung des Zylinders 12 im Nachbarbereich des Zylinderkopfes 20 liegt und mit einer nicht dargestellten Einspritzpumpe verbunden ist. Die Einspritzdüse 36 ist in Bezug auf die Vorkammer 30 derart ausgerichtet, daß ihre Achse und das geometrische Zentrum der Vorkammer 30 in derselben diametralen Ebene des Zylinders 12, vorzugsweise in der zur Kurbelwelle des Motors senkrecht verlaufenden diametralen Ebene, liegen.

Die Einspritzdüse 36 ist eine Einlochdüse mit veränderbarem Querschnitt, beispielsweise eine Kegel- oder Zapfendüse. Sie ist so ausgerichtet, daß der gesamte Kraftstoffstrahl in den vor der Eingangsöffnung 31 der Vorkammer 30 liegenden Bereich des Zylinders 12 gelenkt wird.

Wie aus Fig. 2 im einzelnen hervorgeht, ist der Boden des Kolbens 14 dachförmig gestaltet und besitzt einen Teil 38 und einen Teil 40, die dieselbe Neigung aufweisen wie die ihnen gegenüberliegenden Oberflächenbereiche des Zylinder-

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kopfes 20. Aus dem Boden des Kolbens 14 ist ein Hohlraum 42 herausgearbeitet, der den Verbrennungsraum des Zylinders 12 darstellt. Dieser Hohlraum 42 ist derart auf einem Teil des Kolbenbodens konzentriert, daß das Kraftstoffgemisch ausgedehnte Stauchungszonen ("squish"-Bereiche) zwischen dem Kolbenboden 15 und dem Zylinderkopf 12 bildet. Der Hohlraum 42 ist symmetrisch zu der geometrischen Ebene angeordnet, die die Achse der Einspritzdüse 36 und das geometrische Zentrum der Vorkammer 30 enthält und besitzt außerdem eine sich entlang der Achse des aus der Einspritzdüse austretenden KraftstoffStrahles erstreckende längliche Form.

Beim Betrieb des Motors findet die Einspritzung des Kraftstoffes während der Kompressionsphase statt. Der Kraftstoff wird in Richtung auf eine Zone des Zylinders 12 gespritzt, die der Vorkammer 30 benachbart ist und die einen Volumenteil des Verbrennungsraumes bildet, wenn sich der Kolben 14 in seinem oberen Totpunkt befindet.

Das Ausmaß der Schichtbildung der Ladung bzw. der Anreicherung im Bereich der Vorkammer läßt sich im Mittelwert regulieren, indem bei der Konstruktion die Neigung der Achse der Einspritzdüse 36 gegenüber der Horizontalen variiert wird und indem der Kegel des von der Einspritzdüse 36 abgegebenen KraftstoffStrahles verändert wird, oder aber während des Betriebes des Motors dadurch, daß der Einspritzzeitpunkt variiert wird.

Außerdem wird der Grad der Schichtbildung der Ladung automatisch in Abhängigkeit von der Belastung reguliert, da die Benzineinspritzung bei niedriger Drehzahl und geringer Belastung dann erfolgt, wenn der Kolben sich noch im Bereich seiner unteren Totpunktlage befindet, so daß die obere Masse der Ladung von dem Kolben in die Vorkammer verbracht wird.

Das Vorhandensein der Vorkammer 30 erleichtert die rasche Zubereitung eines entflammbaren Gemisches im Bereich der

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Zündkerze 34 dank der Möglichkeit, die Vorkammer 30 auf hoher Temperatur zu halten und wegen der Turbulenz, die sich im Innern der Vorkammer 30 ausbildet.

Während der Verbrennungsphase entzündet sich das Gemisch zunächst im Bereich der Vorkammer 30, wo es eine reiche Dosierung besitzt. Die Verbrennung breitet sich wegen der raschen Durchmischung zwischen den Verbrennungsprodukten der Zone mit reicher Dosierung und dem übrigen durch die Schichtbildung zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 20 magereren Gemisch schnell in das Innere des Hauptverbrennungsraumes 40 aus.

Die in Fig. 3 bis 11 dargestellten Varianten gleichen in wesentlichen Punkten dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, so daß lediglich die Unterschiede im einzelnen erläutert werden, wobei für identische oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Bei der in Fig. 3 und 4 dargestellten Varianten ist die Achse der mit ihren Elektroden ins Innere der Vorkammer 30 ragenden Zündkerze 34 näherungsweise vertikal ausgerichtet.

Der dachförmig ausgebildete Boden des Kolbens 14 besitzt einen der Seite der Einspritzdüse 16 zugewandten Teil,dessen Neigung mit der Neigung der ihm gegenüberliegenden Oberfläche des Zylinderkopfes 20 übereinstimmt. Der übrige Bereich des Kolbenbodens besitzt eine Neigung, die der Neigung der zugeordneten Oberflächen des Zylinderkopfes 20 entspricht.

Aus dem Boden des Kolbens 14 ist wieder ein Hohlraum 50 herausgearbeitet, der einen überwiegenden Volumenkeil des Verbrennungsraumes des Zylinders 12 darstellt. Der Hohlraum 50 besitzt eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt und befindet sich in dem Teil 48 des Kolbenbodens,

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ist also gegen die Vorkammer 30 versetzt.

Der Grad der Schichtbildung der Ladung und der Anreicherung der Vorkammer wird bei dieser Varianten ähnlich realisiert, wie bei dem anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Vermischung zwischen den aus der Vorkammer austretenden Verbrennungsprodukten und dem übrigen Gemisch mit magerer Dosierung während der Verbrennungsphase erfolgt im Innern des in dem Kolbenboden gebildeten Hohlraumes 50 und wird durch eine starke Wirbelbildung mit horizontaler Achse erleichtert, die sich infolge der asymmetrischen Position und der Formgebung des Hohlraumes 50 und infolge der Schichtbildungszonen zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf ergibt, die in dem der Vorkammer 30 gegenüberliegenden Bereich besonders ausgedehnt sind. Die Wirbelbildung mit horizontaler Achse treibt die heißesten und damit leichtesten Gase, die aus der Vorkammer 30 austreten in eine zentripetale Spiralbahn, die eine rasche Verbrennung des mageren Gemisches ermöglicht und Leistungsverluste sowie die Bildung von Kohlenoxyd infolge der Verbrennung des reichen Gemisches der Vorkammer verhindert.

Bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten Varianten ist die Achse der mit ihren Elektroden 32 in die Vorkammer 30 ragenden Zündkerze 34 wieder im wesentlichen horizontal ausgerichtet. Der Boden des Kolbens 14 ist wieder dachförmig ausgebildet und besitzt einen der Seite der Einspritzdüse 36 zugewandten Teil 42, der dieselbe Neigung besitzt wie die entsprechende Oberfläche des Zylinderkopfes 20 sowie einen Teil 54, dessen Oberfläche kleiner ist als die Oberfläche des Teiles 52.

Der aus dem Kolbenboden herausgearbeitete Hohlraum 56 ist ähnlich gestaltet wie der Hohlraum 50, der anhand der Varianten gemäß Fig. 3 und 4 beschrieben wurde.

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Die Vorkammer 30 besitzt einen Schirm 58 mit im wesentlichen sphärischer Oberfläche, der sich über den der Zündkerze 34 zugewandten Teil des Hohlraumes 56 legt, wenn sich der Kolben 14 in seiner oberen Totpunktlage befindet.

Die Einspritzdüse 36 ist so ausgerichtet, daß der Kraftstoff strahl gegen den Schirm 58 getokt wird. Damit vermeidet man die Gefahr, daß der der Einspritzdüse 36 gegenüberliegende Bereich des Zylinders 12 benetzt wird. Außerdem wird die Ausbildung des horizontalen zylindrischen Wirbels des Kraftstoffgemisches sowohl durch den besseren "Formanschluß" des Verbrennungsraumes als auch durch den Beitrag des "Schichtungsbereiches" zwischendem Schirm 58 und der entsprechenden Oberfläche des Hohlraumes 54 des Kolbens 14 begünstigt.

Da der Schirm 58 während des Motorlaufes eine erhöhte Temperatur besitzt, verdampft der Kraftstoff, der von der Einspritzdüse 36 auf seine Oberfläche gelangt, schneller. Ausserdem bewirkt der Schirm 58 eine stärkere Anreicherung des Kraftstoffgemisches in der peripheren Zone des Verbrennungsraumes; die angereicherte Zone des Verbrennungsraumes besteht in diesem Fall deshalb zum Teil aus der Vorkammer 30 und zum anderen Teil aus der peripheren Zone des Hohlraumes 56.

Die Verbrennung des Gemisches beginnt - ähnlich wie bei den oben beschriebenen Varianten - im Innern der Vorkammer 30 und breitet sich dank des oben beschriebenen zylindrischen Wirbels mit horizontaler Achse rasch in das Innere des im Kolbenboden gebildeten Hohlraumes 56 aus, wobei die Wirbelbildung die Durchmischung zwischen den Verbrennungsprodukten der Zone mit reicher Dosierung und dem übrigen Gemisch mit magerer Dosierung beschleunigt.

Bei der in Fig.. 5 dargestellten Varianten könnte die Vor-

kammer 30 auch von einer kleinen Vertiefung gebildet sein, die eine Benetzung der Elektroden 32 der Zündkerze 34 verhindert und die Geschwindigkeit des Gemischwirbels im Bereich dieser Elektroden 32 begrenzt.

Bei der in Fig. 7 und 8 dargestellten Varianten besitzt der Boden des Kolbens 14 eine Formgebung, die der anhand von Fig. 4 beschriebenen Gestaltung ähnlich ist. Die Vorkammer 30 hat einen Ansatz 60, der dem Kolben 14 zugewandt ist und der sich über eine in dem Kolbenboden in dem der Zündkerze 34 zugewandten Peripheriebereich des Hohlraumes 50 angebrachte Ausnehmung 62 l^egt, wenn sich der Kolben 14 in seiner oberen Totpunktlage befindet.

Eine Einspritzdüse 64 ist in einer ähnlichen Position angeordnet wie die Einspritzdüse 36 der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Einspritzdüse 64 ist eine Mehrlochdüse und so ausgerichtet, daß ein axialer Kraftstoffstrahl X gegen die Einlaßöffnung 31 der Vorkammer 30 und wenigstens ein umgeleiteter Kraftstoffstrahl Y nach unten in Richtung des in dem Kolbenboden angebrachten Hohlraumes 50 gelenkt werden. Der Ansatz 60 begünstigt das Eindringen des Kraftstoffstrahls X in das Innere der Vorkammer 30.

Die Kraftstoffeinspritzung findet bei diesem Ausführungsbeispiel dann statt, wenn sich der Kolben 14 in einer Position in der Nähe des unteren Totpunktes befindet. Bei dieser Kolbenstellung dringt der Kraftstoffstrahl Y in das Innere des Hohlraumes 50, so daß der Kraftstoff leicht verdampfen kann.

Durch die Verwendung der Mehrlochdüse 64 ergibt sich eine Aufteilung des Kraftstoffes zwischen der Vorkammer und dem Hauptverbrennungsraum in einem festen Verhältnis. Das Ausmaß der Schichtbildung kann dadurch gesteuert werden, daß die angesaugte Luftmenge in Abhängigkeit von der zu-

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geführten Kraftstoffmenge derart gedrosselt bzw. dosiert wird, daß sich bei niedriger Motorbelastung insgesamt magere Dosierungen ergeben, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Vorkammer etwa den Wert 14 hat, während bei Vollast des Motors im Mittel etwa ein stöchiometrisches Gemisch vorliegt, dessen Dosierung in der Vorkammer 30 etwa den Wert 0,9 hat.

Bei dem in Fig. 9 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer 30 aus einem Einsatzstück 29 herausgearbeitet, das sich in dem Zylinderkopf 20 in der Nähe eines Teiles des oberen Randes des Zylinders 12 befindet. Die Vorkammer 30 steht mit ihrer Unterseite über eine Einlaßöffnung 31 mit dem Hohlraum des Zylinders 12 und seitlich mit einem in dem Zylinderkopf 20 angebrachten Hohlraum 33 in Verbindung. In dem Hohlraum 33 befinden sich die Elektroden 32 der Zündkerze 34, die im wesentlichen horizontal angeordnet ist.

Das Einsatzstück 29 besitzt einen Schirm 35» der so angeordnet ist, daß er unter dem Hohlraum 33 liegt und in im wesentlichen axialer Richtung in den Innenraum des Zylinders 12 ragt. Der Schirm 35 bildet eine weiter unten näher beschriebene Aufprallfläche 37, die auf der Gegenseite der Zylinderachse gegenüber der Eingangsöffnung 31 der Vorkammer 30 versetzt angeordnet ist. Diese Aufprallfläche 37 ist einer Einspritzdüse 36 zugewandt, die sich in der Seitenwandung des Zylinders 12 in der Nähe des Zylinderkopfes 20 auf der dem Schirm 35 gegenüberliegenden Seite befindet und die mit einer nicht dargestellten Einspritzpumpe verbunden ist. Die Einspritzdüse 36 ist vorzugsweise eine Einlochzapfendüse und so ausgebildet, daß sie einen einzigen kompakten Kraftstoffstrahl A mit gegen Null gehendem Kegelöffnungswinkel erzeugt, der auch bei niedrigen Motorlasten ein gutes Durchdringungsvermögen besitzt und der im wesentlichen senkrecht zur Aufprallfläche 37 des Schirmes 35 gerichtet ist. Falls die Einspritzdüse 36

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eine Einlochdüse ist liegt der Durchmesser ihrer Öffnung vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 0,3 mm für Motoren mit einem Hubraum von etwa 500 cnr pro Zylinder.

Wie aus Fig. 10 im einzelnen hervorgeht, ist der Kolbenboden des Kolbens 14 wieder dachförmig ausgebildet und besitzt an seiner der Einspritzdüse 36 zugewandten Seite eine Dachfläche 70, deren Neigung mit der Neigung der entsprechenden Oberfläche des Zylinderkopfes 20 identisch ist, sowie einen Teil 72, deren Flächeninhalt kleiner ist als der der Dachfläche 70. Aus dem Kolbenboden des Kolbens 14 ist ein Hohlraum 74 herausgearbeitet, der den überwiegenden Volumenteil des Verbrennungsraumes des Zylinders 12 darstellt. Der Hohlraum 74 hat eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt und ist gegenüber dem geometrischen Zentrum des Kolbenbodens in Richtung auf die Vorkammer 30 versetzt angeordnet. Er ist ferner derart in einem Teil des Kolbenbodesn des Kolbens 14 konzentriert, daß das Kraftstoffgemisch zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 20 ausgedehnte Stauchungszonen bildet. Ein radialer Einschnitt 76 schließt sich seitlich an den Hohlraum 74 an. In diesen seitlichen Einschnitt legt sich in der in Fig. 11 dargestellten dem oberen Totpunkt entsprechenden Kolbenstellung der Schirm 35.

Die im Detail in Fig. 12 dargestellte Aufprallfläche 37 des Schirmes 35 ist eben und an ihrer Oberseite sowie an ihrer Unterseite von Vorsprüngen 78 begrenzt, die während der Einspritzphase ein direktes Eindringen des Kraftstoffes in das Innere der Vorkammer 30 verhindern.

Im Betrieb findet die Kraftstoffeinspritzung während der Kompressionsphase (Fig. 9) mit vergleichsweise hohem Einspritzdruck statt. Das Ausmaß der Schichtbildung der Ladung kann während dieser Phase in Abhängigkeit von der Motorbelastung durch Änderung des Einspritzzeitpunktes gesteuert werden.

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Das Auftreffen des Kraftstoffstrahls A gegen die Aufprallfläche 37 des Schirmes 35 bewirkt eine feine Zerstäubung des Kraftstoffes in dem vor der Eingangsöffnung 31 der Vorkammer 30 liegenden Bereich des Zylinders 12. Der während der Kompressionsphase von der Luft mitgeschleppte Kraftstoff dringt statt in Form einer Flüssigkeitsader in feinzerstäubtem oder dampfförmigem Zustand in den Innenraum der Vorkammer 30 ein. Der Schirm 35 verhindert also wirksam sowohl eine Benetzung der der Einspritzdüse 36 gegenüberliegenden Zylinderfläche als auch eine Bentzung der Elektroden 32 der Zündkerze 34. Dank der oben beschriebenen Position der Eingangsöffnung 31 relativ zu dem Schirm 35 muß das in die Vorkammer 30 eindringende zerstäubte Kraftstoffgemisch an der Vorkammerwandung entlanglaufen, so daß es erwärmt wird, bevor es die Elektroden 32 der Zündkerze 34 erreicht.

Während der in Fig. 11 dargestellten Verbrennungsphase entflammt sich das Gemisch zunächst im Bereich der Vorkammer 30, wo es eine reiche Dosierung besitzt. Infolge einer zylindrischen Wirbelbildung mit horizontaler Achse, die durch die aysmmetrische Lage und durch die Formgebung des Hohlraumes 74 sowie durch die zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 20 liegenden "Stauchungsbereiche" verursacht istρ breitet sich die Flamme von der Vorkammer 30 rasch ins Innere des Verbrennungsraumes 74 des Kolbens 14 aus. Die Wirbelbewegung mit horizontaler Achse nimmt die am meisten erhitzten und damit leichtesten Gase, die aus der Vorkammer 30 kommen, in einer zentripedalen Spiralbewegung mit, die eine rasche Verbrennung des mageren Gemisches ermöglicht und Leistungsverluste sowie eine durch die Verbrennung des reichen Gemisches der Vorkammer verursachte Bildung von Kohlenoxyd vermeidet.

In Fig. 13 bis 20 sind Varianten der Aufprallfläche 37 des Schirmes 35 dargestellt. Die Aufprallfläche 37 kann eben (Fig. 13) oder konkav mit sphärischer oder zylindrischer

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Oberfläche (Fig. 14) ausgebildet und mit Vorsprüngen 78 versehen sein. Wenn die Aufprallfläche 37 eben oder zylindrisch ist, kann der Winkel B zwischen der Achse A des Kraftstoffstrahls und dieser Aufprallfläche 37 - von dem Zylinderkopf 20 aus gemessen - von 90° abweichen und beispielsweise zwischen 60° und 100° liegen (Fig. 16 und 17). In diesem Fall ist es möglich, die Zone, in der gegen Ende der Kompressionsphase die Gemischbildung stattfindet und damit die Kraftstoff verteilung zwischen die Kammer 74 des Kolbens 14 und die Vorkammer 30 zu verlegen.

Falls die Aufprallfläche 37 eine zylindrische Form mit horizontaler Achse besitzt und mit Vorsprüngen 78 versehen ist (Fig. 15) liegt der Abstand D der beiden Vorsprünge 78 für Motoren mit einem Zylinderhubraum von je 300 bis 500 cnr im Bereich zwischen 10 und 20 mm.

Die Aufprallfläche 37 kann mit einem einzigen Vorsprung 78 versehen sein, der sich in dem der Eingangsöffnung 31 der Vorkammer 30 zugewandten Randbereich befindet und ein direktes Eindringen des Kraftstoffstrahls A in die Vorkammer 30 verhindert (Fig. 18). Die Aufprallfläche 37 kann in diesem Fall gegenüber der Achse des Zylinders 12ii der Weise geneigt sein, daß ihr Abstand von der Zylinderachse - ausgehend von dem der Vorkammer 30 zugewandten Endbereich allmählich anwächst. Der Vorsprung 80 kann auch von einem ringförmigen Wulst mit kreisförmigem Profil gebildet sein, dessen Zentrum im wesentlichen auf der Achse des Kraftstoffstrahls A liegt.

Die Aufprallfläche 37 kann außerdem - sowohl bei insgesamt ebener Anordnung (Fig. 19) als auch bei insgesamt zylindrischer Anordnung (Fig. 20) - eine Oberflächenstruktur besitzen, die die Zerstäubung des Kraftstoffes begünstigt. Es kann sich dabei um entsprechend gestaltete Rauhigkeiten oder Vorsprünge 80 handeln, die gegen den Kraftstoffstrahl A gerichtet sind.

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Claims

Patentansprüche

ί1.JVerbrennungsmotor mit Fremdzündung und Benzineinspritzung, bei dem der überwiegende Volumenteil des Verbrennungsraumes von einer aus dem Kolben herausgearbeiteten Mulde gebildet wird,
gekennzeichnet durch folgende Merkmales

- Die Einspritzdüse (36, 64) liegt in der Seitenwandung des Zylinders (12) im Nachbarbereich des Zylinderkopfes (20),

- der von der aus dem Kolben (14) herausgearbeiteten Mulde gebildete Teil (42, 50, 56, 74) des Verbrennungsraumes ist derart auf einem Teil des Kolbenbodens konzentriert, daß das Kraftstoffgemisch ausgedehnte Stauchungszonen zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf (20) bildet,

- der Zylinderkopf (20) besitzt an der der Einspritzdüse (36, 64) gegenüberliegenden Seite eine Vorkammer (3O)₁, in der sich die Elektroden (32) einer Zündkerze (34) befinden,

—die Einspritzdüse (36 _p 64) ist derart gestaltet und aus= gerichtet, daß sie wenigstens einen Teil des Kraftstoffes in eine im Nachbarbereich der Vorkammer (30) liegende Zo= ne leitet £, die einen Teil des Volumens des Verbrennungs= raumes bildet.

2ο Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Achse der Einspritzdüse (36₉ 64) und das geometrische Zentrum der Vorkammer (30) im wesentlichen -in einer gemeinsamen Ebene liegen^ die eine Diametralebene, vor= zugsweise die senkrecht zur Kurbelwelle des Motors ver= laufende Diametralebene des Zylinders (12) ist und daß der aus dem Kolben (14) herausgearbeitete Teil des Ver= brennungsraumes (42, 50, 56, 74) symmetrisch zu dieser Ebene angeordnet ist«

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _s

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die als Einlochzerstäuber mit veränderbarem Querschnitt ausgebildete Einspritzdüse (36) derart ausgerichtet ist, daß der gesamte Kraftstoffstrahl in den vor der Eingangsöffnung (31) der Vorkammer (30) liegenden Bereich des Verbrennungsraumes gelenkt wird.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der aus dem Kolben (14) herausgearbeitete Teil des Verbrennungsraumes (42) eine sich entlang der Achse des aus der Einspritzdüse (36) austretenden KraftstoffStrahles erstreckende längliche Form besitzt.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der aus dem Kolben (14) herausgearbeitete Teil des Verbrennungsraumes (50) exzentrisch zu dem Kolben (14) liegt und gegen die Vorkammer (30) versetzt angeordnet ist und daß dieser Teil des Verbrennungsraumes (50) derart gestaltet ist, daß er in der oberen Totpunktlage eine im wesentlichen sphärische Form annimmt.

6. Motor nach Anspruch 1 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammer (30) ein Schirm (58) mit im wesentlichen, sphärischer Oberfläche zugeordnet ist, der in der der obren Totpunktlage entsprechenden Position des Kolbens (14) über einem Teil des aus dem Kolben (14) herausgearbeiteten Hohlraumes (56) liegt, und daß der aus der Einspritzdüse (36) austretende Kraftstoffstrahl im wesentlichen gegen diesen Schirm (58) gelenkt wird (Fig. 5 und 6).

Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Einspritzdüse (64) als Mehrlochdüse ausgebildet und derart ausgerichtet ist, daß ein axialer Kraftstoffstrahl (X) in Richtung auf die Eingangsöffnung (3I) der Vorkammer (30) und wenigstens ein umgeleiteter Strahl (Y) in Richtung auf den Hohlraum (50) des Kolbens (14) gelenkt ist, wenn letzterer sich im Bereich der der unteren Tot-

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punktlage entsprechenden Position befindet (Fig. 7 und 8),

8. Motor nach Anspruch J_t dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammer (30) ein dem Kolben (14) zugekehrter Ansatz (60) zugeordnet ist, der dieEinführung des von der Einspritzdüse (64) abgegebenen axialen Kraftstoffstrahls (X) in die Vorkammer (30) begünstigt.

9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkammer (30) ein im wesentlichen in axialer Richtung in den Innenraum des Zylinders (12) ragender Schirm (35) zugeordnet ist, der eine der Einspritzdüse (36) zugekehrte Aufprallfläche (37) bildet, und daß die Einspritzdüse (36) so ausgebildet ist, daß sie einen einzigen Kraftstoffstrahl (A) mit einem gegen Null gehenden Öffnungswinkel bildet, der im wesentlichen senkrecht auf die genannte Aufprallfläche (37) gerichtet ist, derart daß das Auftreffen des KraftstoffStrahls (A) gegen die Aufprallfläche (37) eine feine Zerstäubung des Kraftstoffes im Bereich der vor derEingangsöffnung (31) der Vorkammer (30) liegenden Zone des Zylinders (12) bewirkt (Fig. 9 und 10).

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) eben ist (Fig. 12 und 13).

11. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) konkav ist (Fig. 14 und 15).

12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) im wesentlichen sphärisch gestaltet ist.

13. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) zylindrisch gestaltet ist.

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■*■ 29155H

14. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (B) zwischen der Achse des KraftstoffStrahls (A) und der Aufprallfläche (37) auf der Seite des Zylinderkopfes (20) zwischen 60 und 100° liegt.

15. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) gegenüber der Achse des Zylinders (12) derart geneigt ist, daß ihr Abstand von der Achse des Zylinders (12) von ihrem der Vorkammer (30) zugewandten Endbereich in Richtung auf den entgegengesetzten Endbereich allmählich zunimmt.

16. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) eine Oberflächenstruktur besitzt, die eine Zerstäubung des Kraftstoffes erleichtert (Fig. 19 und 20).

17. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) zumindest in ihrem der Vorkammer (30) zugewandten Bereich einen Vorsprung (78) aufweist, der ein direktes Eindringen des KraftstoffStrahls (A) in die Vorkammer (30) verhindert.

18. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (36) eine Einlochdüse ist.

19. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 17i dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (36) eine Zapfendüse ist.

20. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsöffnung (31) der Vorkammer (30) gegenüber der Aufprallfläche (37) des Schirmes (35) in Richtung auf die Achse des Zylinders (12) versetzt ist.

909843/0961