DE2915514C2

DE2915514C2 - Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Benzineinspritzung

Info

Publication number: DE2915514C2
Application number: DE2915514A
Authority: DE
Inventors: Giulio Arietti; Giampiero Torino 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: 1982-08-05
Also published as: FR2426155A1; ES479630A1; SE7903343L; GB2021684B; CA1092458A; US4270498A; FR2426155B1; GB2021684A; DE2915514A1

Description

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale,

— die Einspritzdüse (36) liegt in einer Seitenwandung des Zylinders (12) im Nachbarbereich des Zylinderkopfes (20),

— die im Zylinderkopf (29) ausgebildete Vorkammer (30) ist in einer Seitenwand des Zylinderkopfes (20) diametral gegenüber der Einspritzdüse (36) angebracht, wobei die Vorkammer (30) an ihrem unteren Ende mit dem Innenraum des Zylinders (12) in Verbindung steht,

— die Einspritzdüse (36) ist so ausgebildet, daß sie den einzigen Kraftstoffstrahl (A) mit einem sehr niedrigen öffnungswinkel bildet, der im wesentlichen senkrecht auf die Aufprallfläche (37) gerichtet ist

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsöffnung (31) der Vorkammer (30) gegenüber der Aufprallfläche (37) in Richtung auf die Achse des Zylinders (12) versetzt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) eben ist

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Aufprallfläche (37) konkav ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Aufprallfläche im wesentlichen sphärisch gestaltet ist _t

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) im wesentlichen zylindrisch gestaltet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Achse des Kraftstoffstrahles und der Aufprallfläche (37) auf der Seite des Zylinderkopfes

30

(20) zwischen 60° und 100° liegt

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufpraüfläche (37) gegenüber der Achse des Zylinders (12) derart geneigt ist, daß ihr Abstand von der Achse des Zylinders (12) in dem in der Vorkammer (30) benachbarten Endhereich am kleinsten ist

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (37) die Zerstäubung des Kraftstoffs erleichternde Oberflächenrauhigkeiten oder Vorsprünge (80) besitzt

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die AufpraUfläche (37) zumindest in ihrem der Vorkammer (30) zugewandten Bereich eine Schulter oder einen Vorsprung (78) aufweist der ein direktes Eindringen des Kraftstoffstrahles (A)in die Vorkammer (30) verhindert

11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Kolben (14) herausgearbeitete Teil des Brennraumes (SO) exzentrisch zu dem Kolben (14) liegt und gegen die Vorkammer (30) versetzt angeordnet ist und daß dieser Teil des Brennraumes (50) derart gestaltet ist daß er in der oberen Totpunktlage eine im wesentlichen sphärische Brennkammer bildet

13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Einspritzdüse (36) eine Zapfendüse ist.

35 Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art
Eine Brennkraftmaschine mit diesen Merkmalen ist durch die DE-OS 14 51 640 bekannt. Derartige Brennkraftmaschinen verbrennen ein inhomogenes Kraftstoffgemisch und arbeiten mit Gemischschichtung. Bei ihnen variiert also die Gemischdosierung im Verbrennungsraum von Punkt zu Punkt und ist im Nachbarbereich der Zündkürze am reichsten.

Die Gemischschichtung ergibt bei niedriger Belastung bzw. bei niedrigem Drehmoment eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine geringere Luftverschmutzung durch Kohlen- und Stickstoffoxide

5ö> in den Auspuffgasen. Da das inhomogene Kraftstoffgemisch im Mittel magerer sein kann und daher nicht zur Selbstzündung neigt erlauben Brennkraftmaschinen mit Gemischschichtung die Verwendung von Kraftstoffen mit geringerer Klopffestigkeit, die sowohl billiger als auch weniger umweltbelastend sind. Ein Nachteil bekannter Brennkraftmaschine mit Gemischschichtung besteht jedoch darin, daß die maximal erreichbare spezifische Leistung vergleichsweise gering ist und daß Kraftstoffverbrauch und Kohlenstoffemission bei VoIllast beträchtlich ansteigen.

Dies ist im Grundsatz darauf zurückzuführen, daß die Ladungsbildung, die so ausgestaltet ist, daß bei niedrigen Belastungen im Bereich der Zündkerze eine Kraftstoffkonzentration erreicht wird, welche auch bei im Mittel sehr mageren Gemischen eine sichere Zündung gewährleistet, bei Vollast nicht hinreichend kontrollierbar ist und eine sehr starke Anreicherung des Gemisches verursacht Die Notwendigkeit, die Ge-

mischschichtung bis zum Zeitpunkt der Zündung herzustellen und beizubehalten, erschwert außerdem die rasche Durchmischung zwischen den Verbrennungspro dukten aus den Zonen mit reicher Dosierung und dem übrigen Kraftstoffgemisch, das eine magere Dosierung besitzt. Die Verbrennung des reichen Anteils der Ladung kann trotz der schnellen Ausbreitung der Flamme nur dann eine vollständige sein, wenn eine rechtzeitige und gründliche Durchmischung mit dem überschüssigen Sauerstoff aus dem verbleibet den mageren I.sdungsanteil gewährleistet ist. Wenn diese Durchmischung nicht genügend schnell und genügend gründlich stattfindet, bilden sich Kohlenoxide. Außerdem ist die VerbVennungsdauer sehr groß. Die Durchmischung muß auch deshalb rasch erfolgen, damit die Verbrennungsprodukte des reichen Ladungsanteiles, die die Verbrennung des mageren Gemischanteils durch ihre erhöhte Reaktionsfähigkeit beschleunigen, voll ausgenutzt werden können.

Gegenüber dem durch die genannte DE DS 14 51 640 gegebenen Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine weitere Lösung des Problems anzugebeil, die Brennkraftmaschine so zu gestalten, daß während der Einspritzphase ein direkter Eintritt von Kraftstoff in die Vorkammer verhindert ist und eine 2s feine Zerstäubung des Kraftstoffstrahles in dem vor der Mündung der Vorkammer liegenden Zylinderbereich bewirkt wird, so daß der während des Kompressionshubes von der Luft mitgeführte Kraftstoff in fein zerstäubtem Zustand oder in Dampfphase statt in flüssigem Zustand in die Vorkammer gelangt

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch ergeben sich für die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung folgende Vorteile:

— da das zerstäubte Kraftstoffgemisch längs der inneren Wandung der Vorkammer fließen muß, bevor es die Elektroden der Zündkerze erreicht, findet eine wirksame Vorerwärmung statt,

— der Bereich, in dem das Kraftstoffgemiscn gebildet wird, und die Verteilung des Kraftstoffes zwischen dem Hohlraum des Kolbens und der Vorkammer können durch geeignete Ausbildung der Aufprallflache vorherbestimmt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird. Die Gegenstände der Ansprüche 2,4,6 und 8 sind in Zusammenhang mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt Im folgenden sind Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt einer Brennkraftmaschine während des Kompressionstaktes,

F: g. 2 zeigt eine Aufsicht eines Kolbens der in F i g. 1 dargestellten Brennkraftmaschine,

F i g. 3 zeigt die Brennkraftmaschine gemäß F i g. 1 während der Verbrennungsphase,

F i g. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Einzelheit von F i g. 1 und 3 in teilweise geschnittener Darstellung und größerem Maßstab,

F i g. 5 bis 9 zeigen Varianten der Aufprallfläche.

Die in F i g. 1 und 3 dargestellte Brennkraftmaschine ist ein Otto-Motor, dessen Zylinder mit 12 bezeichnet es 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 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 ein 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 aus einem Einsatzstück 29 herausgearbeitet ist, das sich in dem Zylinderkopf 20 in der Nähe 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 letzterem befinden sich die Elektroden 32 einer 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 Dieser Schirm 35 bildet eine weitere unten näher beschriebene Aufprallfläche 37, die auf der Gegenseite der Zylinderachse gegenüber der Eingangsöffnung 31 der Vorkammer 30 versetzt angeordnet und einer Einspritzdüse 36 zugewandt ist 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 eine Einlochzapfendüse und so ausgebildet daß sie einen einzigen kompakten Kraftstoffstrahl A mit gegen Null gehendem öffnungswinkel erzeugt, der auch bei niedrigen Motorlasten ein gutes Durchdringungsvermögen besitzt und im wesentlichen senkrecht zur Aufprallfläche 37 des Schirms 35 gerichtet ist Der Durchmesser der Düsenöffnung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 03 mm für Motoren mit einem Hubraum von etwa 500 cm³ pro Zylinder. Wie aus F i g. 2 im einzelnen hervorgeht ist der Boden des Kolbens 14 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, dessen 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 Dieser 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 Kolbenbodens 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.3 dargestellten Kolbenstellung, die dem oberen Totpunkt entspricht, der Schirm 35. Die in Fig.4 im Detail dargestellte Aufprallfläche 37 des Schirms 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. 1) 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.

Das Auftreffen des Kraftstoffstrahls A gegen die Aufprallfläche 37 des Schirms 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 fein zerstäubtem oder dampfförmigem Zustand in das Innere der Vorkammer 30 ein. Der Schirm 35 verhindert also sowohl eine Benetzung der der Einspritzdüse 36 gegenüberliegenden Zylinderfläche als auch eine Benetzung 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 entlang laufen, so daß es erwärmt wird, bevor es die Elektroden 32 der Zündkerze 34 erreicht.

Während der in F i g. 3 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 asymmetrische Lage und durch die Formgebung des Hohlraumes 74 sowie durch die zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 20 liegenden Stauchungsbereiche verursacht ist, breitet sich die Ramme von der Vorkammer 30 rasch ins Innere des Verbrennungsraumes 74 des Kolbens 14 aus. Die Wirbelbewegung nimmt die am meisten erhitzten und damit leichtesten Gase, die aus der Vorkammer 30 kommen, in einer zentripetalen Spiralbewegung mit.

welche eine rasche Verbrennung des mageren Gemisches ermöglicht und Leistungsverluste sowie eine durch die Verbrennung des reichen Gemisches der Vorkammer verursachte Bildung von Kohlenoxid vermeidet.

In Fig.5 bis 9 sind Varianten der Aufprallfläche 37 des Schirms 35 dargestellt. Die Aufprallfläche 37 kann eben oder konkav mit sphärischer oder zylindrischer Oberfläche (F i g. 5) ausgebildet und mit Vorsprüngen 78

to (F i g. 4 und 6) versehen sein.

Falls die Aufprallfläche 37 eine zylindrische Form mit horizontaler Achse besitzt und mit Vorsprüngen 78 versehen ist (F i g. 6) liegt der Abstand D der beiden Vorsprünge 78 für Motoren mit einem Zylinderhubraum von je 300 bis 500 cm³ 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 Kraftstoffstrahles A in die Vorkammer 30 verhindert (Fig.7). Die Aufprallfläche 37 kann in diesem Fall gegenüber der Achse des Zylinders 12 in der Weise geneigt sein, daß ihr Abstand von der Zylinderachse — ausgehend von dem der Vorkammer 30 zugewandten Endbereich — zunimmt Der Vorsprung kann auch von einem ringförmigen Wulst mit kreisförmigem Profil gebildet sein, dessen Zentrum im wesentlichen auf der Achse des Kraftstoffstrahles A liegt

Die Aufprallfläche 37 kann außerdem — sowohl bei insgesamt ebener Anordnung (Fig.8) als auch bei insgesamt zylindrischer Anordnung (Fig.9) — eine Oberflächenstruktur besitzen, die die Zerstäubung des Kraftstoffs begünstigt Es kann sich dabei um entsprechend gestaltete Rauhigkeiten oder Vorsprünge 80 handeln, die gegen den Kraftstoffstrahl A gerichtet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

i. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Benzineinspritzung in die einzelnen Zylinder,

— bei der der überwiegende Volumenteil der Brennkammer jedes Zylinders von einem aus dem Kolbenboden herausgearbeiteten Hohlraum gebildet ist,

— bei der der von diesem Hohlraum gebildete Teil der Brennkammer derart auf einem Teil des Kolbenbodens konzentriert ist, daß das Krafistoffgemisch ausgedehnte Quetschzonen zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf is bildet,

— bei der sich die Elektroden der den einzelnen Zylindern zugeordneten Zündkerzen in einem Einsatzstück befinden, das eine Vorkammer

. ausbildet,

— und bei der das Einsatzstück in welchem die Vorkammer ausgebildet ist, ein Teil besitzt, das im wesentlichen in axialer Richtung in den Innenraum des Zylinders hineinragt, wobei dieses Teil in der oberen Totpunktlage des Kolbens in einen Teil des in dem Zylinder gebildeten Hohlraumes ragt und eine der Einlocheinspritzdüse zugekehrte Aufprallfläche bildet.