DE2922683A1 - Luftverdichtende selbstzuendende brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft

Stuttgart-Untertürkheim Daim 12 371/4

31.5.79

Luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 27 22 553 als bekannt hervorgeht. Die im Anspruch gattungsmäßig erwähnte Nebenkammer kann als Wirbelkammer oder vorzugsweise als Vorkammer ausgebildet sein. Wirbelkammern sind in der Regel etwa kugelförmig ausgestaltete Nebenkammern, die über einen relativ kurzen und im Querschnitt reichlich bemessenen Schußkanal mit dem Hauptarbeitsraum der Brennkraftmaschine verbunden sind.. Durch die tangentiale Einmündung des Schußkanales in die Wirbelkammer bildet sich in deren Innern während des Kompressionshubes ein intensiver Luftdrall aus, der zu einer guten Gemischbildung des eingespritzten Kraftstoffes mit der komprimierten Luft führt. Eine typische Ausgestaltung einer Nebenkammer als Vorkammer weist eine etwa birnen- oder flaschenförmige Vorkammer mit meist gleichachsig zur Vorkammer liegendem Schußkanal auf, der mit dem Hauptarbeitsraum über einen mehrere Schußkanalöff-

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nungen aufweisenden sogenannten Mehrlochbrenner in Verbindung steht. Der Mehrlochbrenner hat die Aufgabe, die aus dem Schußkanal bzw. den Öffnungen mit hoher Geschwindigkeit ausströmende teilverbrannte Ladung möglichst weiträumig in den scheibenförmigen Hauptarbeitsraum von geringer Höhe hinauszutragen. Es versteht sich, daß trotz der Erwähnung des Hauptarbeitsraumes und der Nebenkammer im Anspruch in der Einzahl auch Brennkraftmaschinen mit einer Mehrfachanordnung von Arbeitsräumen mit vom Schutzumfang umfaßt werden,

Die vorbekannte Brennkraftmaschine nach der oben zitierten Literaturstelle weist eine Vorkammer als Nebenkammer auf, bei der das Einspritzventil radial zum Schußkanal im Bereich des Mehrlochbrenners angeordnet ist, wobei der oder die Einspritzstrahlen des Einspritzventiles gleichachsig mit Öffnungen des Mehrlochbrenners liegen, so daß durch das Einspritzventil der Hauptarbeitsraum mittels direkter Einspritzung erreichbar ist. Während des Durchganges des Hubkolbens durch die obere Totpunktlage wird die verdichtete Luft noch in die Vorkammer hineinkomprimiert, wobei sich eine sehr rasch strömende in die Vorkammer hineingerichtete Kompressionsströmung ausbildet. In diese Kompressionsströmung wird der erste Teil des Kraftstoffes eingespritzt, wobei die kinetische Energie der Kompressionsströmung die des Einspritzstrahles bei weitem überwiegt und den zunächst eingespritzten Kraftstoff mit in die Vorkammer hineinträgt. Gegen Ende der Kompression kommt es darin zu einer Selbstentzündung der gebildeten Ladung. Aufgrund dessen kehrt sich das Druckgefälle zwischen Vorkammer und Hauptarbeitsraum um und es kommt zu einer durch den Schußkanal hindurch in den Hauptarbeitsraum hineinge-

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richteten Arbeitsströmung. Die Einspritzung von Kraftstoff erstreckt sich zeitlich über diesen UmkehrZeitpunkt der Druckdifferenz zwischen Vorkammer und Hauptarbeitsraum hinaus und hält je nach Höhe der Lasteinsteuerung der Brennkraftmaschine mehr oder weniger lang über den Zeitpunkt des Durchganges des Kolbens durch die obere Totlage hindurch an. Die in den Arbeitsraum hineingerichtete Arbeitsströmung nimmt die anhaltend eingespritzten Kraftstoffpartikel mit in den Hauptarbeitsraum hinaus, verwirbelt sie intensiv und verteilt sie weiträumig in dem sich bereits expandierenden Inhalt des Hauptarbeitsraumes. Die vorbekannte Brennkraftmaschine arbeitet daher in erster Linie mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes, wobei jedoch bei geschickter Ausnützung der in die Vorkammer hineingerichteten Kompressionsströmung in der Vorkammer eine Zündladung gebildet wird, die die eigentliche Treibladung in einer zweiten Stufe der Verbrennung zünden soll und deren sehr energiereiche Zündfackel mit zur Gemischverwirbelung und -verteilung ausgenützt werden soll. Angestrebt wird mit der vorbekannten Brennkraftmaschine eine bessere und vor allen Dingen homogenere Gemischbildung, ein besserer Kraftstoffausbrand, weniger Ruß und geringerer Verbrauch.

Zwar enthält die vorbekannte Brennkraftmaschine brauchbare Ansätze, die die vorliegende Erfindung als Grundlage benutzt. Nachteilig an der bekannten Brennkraftmaschine ist jedoch, daß - deren Zielsetzung zuwider - Kraftstoff in teilverbrannte Ladungsteile hineingespritzt und somit örtlich Überfettungen erzielt werden. Die Arbeitsströmung

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ist auch schon zu Beginn mindestens auf stöchiometrische Verhältnisse mit Kraftstoff angereichert; bei anhaltender Einspritzung in die Arbeitsströmung werden örtlich Überfettungen erzielt, die sich in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit trotz einer intensiven Verwirbelung nicht im ausreichenden Ausmaß abbauen lassen. Gerade im Bereich höchster Lasteinsteuerung an der Brennkraftmaschine neigen Dieselmotoren verstärkt zur Rußbildung, die ein Indiz für unvollständigen Kraftstoffausbrand und für imhomogene Gemischbildung ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung von Bauelementen, die sich im Teillastgebiet im Hinblick auf schadstofffreien und vollständigen Kraftstoffausbrand bewährt haben, die bekannte Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß sie auch in dem diesbezüglich kritischen oberen Lastbereich ein möglichst homogenes Gemisch bildet und dieses möglichst vollständig und möglichst rußfrei verbrennt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Verwendung von zwei unterschiedlich angeordneten Einspritzventilen kommt es zu einer gemischten Betriebsweise der Brennkraftmaschine im unteren bzw. im oberen Lastbereich und vor allen Dingen zu einer echten Ladungsschichtung mit einer weitgehend stöchiometrischen Zündladung und - im oberen Lastbereich - zu einer qualitativ in der Zusammensetzung gesteuerten/Treibladung im Hauptarbeitsraum. Die beiden Ladungsanteile sind durch einen kraftstofffreien Luftan-

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teil voneinander getrennt, in den hinein der zur Bildung der Treibladung erforderliche Kraftstoff im oberen Lastbereich eingespritzt wird und der durch die leistungsstarke Arbeitsströmung der Zündladung in den Arbeitsraum hin'ausgepreßt wird. Zweckmäßige Merkmale für eine Ausgestaltung der Erfindung und weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. aus der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung; dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer

Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit einer Wirbelkammer,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Brennkraftmaschine, und zwar mit Vorkammer,

Fig. 3 und 3a einen ausschnittsweisen Längsschnitt in

stark vergrößerter Form durch ein Ausführung sbeispiel für das erste Einspritzventil,

Fig. 4 ebenfalls einen ausschnittsweisen Längsschnitt in stark vergrößerter Form für ein Ausführungsbeispiel des zweiten Einspritzventiles mit der Möglichkeit der Ventilnadelblockierung in der Schließstellung,

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Fig. 5 ein Diagramm über die Öffnungsquerschnit te der Einspritzventile in Abhängigkeit vom Nadelhub und

ein prinzipielles Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Zeitgliedes für ein zeitverzögertes Einspritzen des zweiten Einspritzventiles.

Die in Fig. 1 ausschn.ittsweise und schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinderblock 2 und einen Zylinderkopf 3 auf. Darin begrenzt der Hubkolben 4 einen Hauptarbeitsraum 5, dem noch eine Nebenkammer zugeordnet ist, die beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als Wirbelkammer 6 ausgebildet ist; sie steht mit dem Hauptarbeitsraum über einen Schußkanal 8 in Verbindung. An der Wirbelkammer ist ein erstes Einspritzventil 9 angebracht, das mit seiner Längsachse bzw. mit dem Einspritzstrahl derart angeordnet und ausgerichtet ist, daß dieser gleichgerichtet mit dem Wirbelkammerdrall 65 wandverteilt einspritzt und auf die Innenwand der Wirbelkammer neben der Einmündungsöffnung des Schußkanales in die Wirbelkammer auftrifft. Außer dem genannten Einspritzventil ist noch ein zweites Einspritzventil 1o im Bereich der Wirbelkammer angeordnet, das mit seiner Längsachse bzw. mit seinem Einspritzstrahl 74 gleichachsig zur Längsachse des Schußkanales 8 ausgerichtet ist, so daß mit dem zweiten Einspritzventil der Hauptarbeitsraum 5 direkt erreichbar ist. An der Brennkraftmaschine ist eine mit halber Kurbelwellendrehzahl angetriebene Einspritzpumpe 11 angeord-

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net, von deren Förderstempeln Einspritzleitungen 2o zu den genannten Einspritzventilen hinführen. An der Einspritzpumpe ist als Mengenverstellglied eine Regelstange 13 vorgesehen, die zumindest mittelbar mit einem Fahrpedal 12 in Verbindung steht. Das zwischen zwei Extremlagen verschwenkbare Fahrpedal erlaubt es, je nach eingeschwenkter Stellung einen bestimmten Belastungszustand an der Brennkraftmaschine einzusteuern. Ausgehend von der in Fig. 1 in vollen Linien dargestellten dem Leerlaufzustand entsprechenden Schwenklage kann beim Verschwenken nach links zunächst ein unterer Teillastbereich b durchfahren werden. Ab einem gewissen Zuschaltpunkt B schließt sich beim weiteren Durchtreten des Fahrpedales nach unten ein oberer Lastbereich b an. In den Schwenkbereichen des Fahrpedales ragt ein in der Stellung justierbarer Schalter 14 mit seinem Betätigungsarm hinein. Von dem Schalter wiederum kann ein in der Zuleitung 21 zum zweiten Einspritzventil liegendes elektromagnetisch betätigbares Absperrventil gesteuert werden, welches seine Betätigungsenergie aus der Batterie 16 erhält. Das Absperrventil 15 ist bei Nichterregung geschlossen; dementsprechend wird das zweite Einspritzventil 1o erst oberhalb des Zuschaltpunktes B im oberen Lastbereich zugeschaltet. Im unteren Lastbereich b erfolgt die KraftstoffZuteilung ausschließlich indirekt über das erste Einspritzventil 9. Der Zuschaltpunkt B liegt etwa im Bereich zwischen 1/3 und 2/3 der Maximalleistung der Brennkraftmaschine. Abgesehen von der lastabhängig auf den oberen Lastbereich beschränkten Einspritzung des Kraftstoffes über zwei unterschiedliche Einspritzventile erfolgt bei jedem Arbeitszyklus, bei dem das zweite Einspritzventil 1o mit eingeschaltet ist,

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die Einspritzung über das zweite Einspritzventil zeitverzögert gegenüber dem Beginn E₁ der Einspritzung mittels des ersten Einspritzventile's. Und zwar liegt der Einspritzbeginn des ersten Einspritzventiles etwa 5 bis 6 vor dem oberen Totpunkt (OT), wohingegen der Einspritzbeginn E₂ des zweiten Einspritzventiles um einen Zeitversatz innerhalb eines Arbeitszyklus später liegt,.der sich im Kurbeldiagramm als Winkel cCvon etwa 1o darstellt. Der Einspritzbeginn E₂ des zweiten Einspritzventiles 1o liegt also etwa 5 bis 6° nach OT. Die genannte Zeitdifferenz entspricht etwa dem Zündverzug der in der Nebenkammer gebildeten Zündladung. Im oberen Lastbereich, in welchem das zweite Einspritzventil 1o mit zugeschaltet ist, hält die Einspritzung lastabhängig mehr oder weniger lange an, um die nötige Kraftstoffmenge in den Arbeitsraum einbringen zu können. Bei Einsteuerung der vollen Last kann das Einspritzende Z bei etwa .2o nach OT liegen. Dieses gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen etwa um 1o° früheres Einspritzende ist dank der Einspritzung mittels zwei Einspritzventilen erzielbar. Die Konzentration der Kraftstoffeinspritzung auf eine näher beim OT-Durchgang liegende Zeitspanne ergibt einen steileren Druckanstieg im Hauptarbeitsraum und somit eineji höheren effektiven Arbeitsdruck. Nicht nur die gleichzeitige Doppeleinspritzung im oberen Lastbereich, sondern auch die saubere Ladungsschichtung und die Verteilung und Verwirbelung der Arbeitsladung in dem Hauptarbeitsraum durch die Zündladung erlaubt eine sehr rasche Kraftstoffeinbringung bei geringem Zündverzug. Insbesondere dann, wenn das zweite Einspritzventil mit seinem düsennahen Bereich verstärkt der Wärmezufuhr ausgesetzt ist, kann davon ausgegangen wer-

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den, daß der in dem Einspritzventil taktweise etwas vorgewärmte Kraftstoff nach der Einspritzung und Druckentlastung verdampft und sich mit wesentlich geringerem Zündverzug als herkömmlich selbst entzündet. Der über das zweite Einspritzventil eingespritzte stärker erhitzte Kraftstoff wird daher in dem Maße sich fortschreitend selbst entzünden, wie er eingespritzt wird. Bei einer ausreichenden thermischen Exponierung des düsennahen Bereiches des zweiten Einspritzventiles und einer entsprechend starken Vorwärmung des dort unter Druck bereitgehaltenen Kraftstoffvolumens kommt es zu einer mehr oder weniger dampf- oder brüdenförmigen Einspritzung des Kraftstoffes in den Hauptarbeitsraum. Ein solcher Kraftstoffdampfstrahl hat zwar keine hohe Durchschlagkraft, um selber auch entferntliegende Partien des Hauptarbeitsraumes zu erreichen. Jedoch ist eine hohe Durchschlagkraft des zweiten in die energiereiche Arbeitsströmung des Schußkanals eingespritzten Kraftstoffes vorliegend entbehrlich, weil das Vermischen und Verteilen des Kraftstoffes bis in alle Teile des Hauptbrennraumes durch die energiereiche Arbeitsströmung der Zündladung bewirkt wird. Ein geringer Zündverzug der zweiten Kraftstoffmenge ist wesentlich wichtiger. Die Verbrennung des Kraftstoffes ist daher auf eine totpunktnahe Zeitspanne beschränkt, in der noch gute Voraussetzungen für eine vollständige und vollkommende Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes vorliegen. Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen dieser Art reicht die Verbrennung bis weit in die Entspannungsphase hinein, so daß es aufgrund einer Entspannungsabkühlung in der Ladung zu einem Abbruch der Verbrennungsvorgänge und zu einem unvollständigen Kraft-

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stoffausbrand kommt. Diese nachteilige Erscheinung wird - wie dargelegt - durch die vorliegende Erfindung vermieden. Im unteren Lastbereich b ist das zweite Einspritzventil stillgelegt und der Kraftstoff \tfird alleine indirekt über das erste Einspritzventil in die Nebenkammer eingebracht. In diesem Betriebsbereich arbeitet die Brennkraftmaschine in herkömmlicher Weise mit anerkannt guten Ergebnissen hinsichtlich Kraftstoffausbrand und Rußfreiheit, weil im unteren Lastbereich mit starkem Luftüberschuß und geringen Kraftstoffmengen, die innerhalb einer OT-nahen Zeitspanne eingebracht und verbrannt werden können, gefahren wird. Insoweit kann die Erfindung auch auf Merkmale und Einrichtungen zurückgreifen, die im Hinblick auf guten Kraftstoffausbrand und Rußfreiheit im Teillastbereich optimiert und bewährt sind.

Das zweite in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine weist eine birnen- oder kugelförmige Vorkammer 7 mit etwa gleichachsigem Schußkanal 8' und einem Mehrlochbrenner 7o mit mehreren Brenneröffnungen am unteren Ende des Schußkanales auf. Quer durch die Vorkammer ist ein Querstift 71 mit etwa mittig angeordneter kugelförmiger Verdickung 72 hindurchgesteckt; die kugelförmige Verdickung ist auf ihrer dem Schußkanal zugekehrten Seite abgeflacht. Diese Ausgestaltung der Vorkammer mit Querstift und Mehrlochbrenner hat sich im Hinblick auf guten Kraftstoffausbrand bei geringer Rußentwicklung im unteren Teillastbereich in der Praxis sehr gut bewährt. Gleichachsig zu der Vorkammer und dem Schußkanal ist ein erstes Einspritzventil 9' angeordnet, dessen Einspritzstrahl auf die kugelförmige Verdickung des Querstiftes ge-

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richtet ist. Die Vorkammerladung wird daher im wesentlichen auf den oberhalb des Querstiftes liegenden Bereich beschränkt bleiben. Der unterhalb des Querstiftes liegende Bereich der Vorkammer und der Schußkanal 8' selber sind weitgehend während der Einspritzphase des ersten Einspritzventiles ladungsfrei und enthalten lediglich komprimierte Luft. Diese erwähnten RauiKteile stellen immerhin 10 bis 15 % des Kompressions/volumens dar. Das zweite Einspritzventil 1o' ist im Bereich des Schußkanales angeordnet, derart, daß es mit seinem zweiten Einspritzstrahl 74 bzw. mit seiner Längsachse radial zum Schußkanal ausgerichtet und gegen die Längsachse des Schußkanales geneigt ist; der zweite Einspritzstrahl 74 ist durch ein etwas größer gehaltenes Brennerloch hindurch gerichtet, so daß bei kaltem Kraftstoff der durchschlagharte Einspritzstrahl den Hauptarbeitsraum 5 direkt erreichen kann. Der düsennahe Bereich des zweiten Einspritzventiles ist thermisch sehr exponiert angeordnet, so daß die im vorderen Teil jeweils unter Druck bereitgehaltene Kraftstoffmenge auf höhere Temperaturen erwärmt werden kann, die nach Druckentlastung bei der Einspritzung relativ rasch verdampfen kann .. Die thermische Expandierung kann noch verstärkt werden,/daß der.mündungsnahe Bereich des Einspritzventiles - wie mit strichlierten Linien angedeutet - teilweise zum Hauptarbeitsraum 5 hin freigelegt wird.

Die Ladungsschichtung mit einem zwischen den Ladungsteilen liegenden Luftvolumen ist bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel noch besser als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit einer Wirbelkammer,

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weil das zwischen den Ladungsteilen liegende Luftvolumen bei der Vorkammermaschine nach Fig. 2 größer ist als bei der Wirbelkammermaschine. Der Schußkanal 8' und das unterhalb des Querstiftes 71 liegende Volumen sind zusammen größer als der Schußkanal 8 der Wirbelkammer 6. Der etwa Io bis 15 !ige Anteil des Kompressionsendvolumens, der kraftstofffrei ist, wird nach einer Zündung der Vorkammerladung als erstes durch den Schußkanal 8' hindurch in den Hauptarbeitsraum hinausgepreßt. In diese energiereiche von der Zündladung angetriebene sauerstoffreiche Strömung wird im oberen Lastbereich die zweite Einspritzmenge hineindosiert und in den Hauptarbeitsraum hinausgetragen. Durch die sehr kräftige Zudosierung kann die Einspritzzeit des zweiten Eirepritzventiles relativ kurz gehalten werden, so daß zeitlich weit vor dem Abbau des Vorkammerüberdruckes die zweite Kraftstoffmenge bereits in die Arbeitsströmung hineindosiert und in den Hauptarbeitsraum hinausgetragen ist. Eine Überfettung von bereits teilverbrannten Ladungsteilen durch die zweite Einspritzmenge wird vermieden. Die schallnahe und sehr turbulente ArbeitsstrÖmung aus der Vorkammer heraus durchwirbelt und vermischt die zweite Einspritzmenge mit der komprimierten Luft des Hauptarbeitsraumes und verteilt sie dort gleichmäßig und weiträumig. Es kommt nicht wegen etwaigen Sauerstoffmangels zu einem Zerfall der Kraftstoffmoleküle; vielmehr können diese vor einem derartigen Zerfall sofort in die Verbrennung übergehen. Die langkettigen Kraftstoffmoleküle sind besonders zündwillig. Dank der Vermeidung eines solchen oben erwähnten Crackvorganges - diese treten vor allen Dingen beim Überfetten oder beim Einspritzen in sauerstoffarme teilverbrannte Ladungsteile auf - wird die Zündwilligkeit des

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Kraftstoffes bewahrt und zweckbestinunend zur zündverzugs-.armen Einleitung der Verbrennung ausgenutzt. Eine Kraftstoff vorwärmung und eine Vermeidung von Crackvorgängen ermöglicht eine sehr rasche Entzündung der zweiten Einspritzmenge und dementsprechend auch eine sehr rasche auf eine OT-nahe Zeitspanne beschränkte Einspritzzeit, was gute Voraussetzungen für eine angestrebte Gleich^raumverbrennung schafft.

Um im oberen Lastbereich die Nebenkammerladung durch das erste Einspritzventil 9 bzw. 9^! nicht zu überfetten, ist das erste Einspritzventil im Nadelhub und im wirksamen Öffnungsquerschnitt der Einspritzdüse auf bestimmte relativ kleine Maximalwerte beschränkt, wie die Fig. 3 und 3a veranschaulichen. Das erste Einspritzventil ist als Drosselzapfendüse mit einer Ventilnadel 26, einer Düsenöffnung 28 und einem Drosselzapfen 29 an der Ventilnadel ausgebildet. Die Ventilnadel wird durch eine Ventilschließfeder 27 in der geschlossenen, in vollen Linien dargestellten Lage gehalten. Auf der Oberseite der Ventilnadel ist ein Anschlagzapfen 31 angeordnet, der den Maximalhub der Ventilnadel H.. auf ein bestimmtes Maß beschränkt, welches deutlich kleiner ist als die Länge L des Drosselzapfens 29, so daß selbst bei der in strichpunktierten Linien angedeuteten vollen Erhebung der \entilnadel der Drosselzapfen immer noch in der Düsenöffnung 28 eingetaucht/Die eigentliche Einspritzöffnung wird gebildet durch einen in Fig. 3a übertrieben groß dargestellten ringförmigen Spalt 3o zwischen dem Drosselzapfen 29 und der Düsenöffnung 28. Der Spalt hat eine Weite im Bereich von einigen Mikrometer. Eine solche Drosselzap-

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fendüse erlaubt zwar bei kleinen Einspritzmengen über die Öffnungszeit der Ventilnadel und über den Einspritzdruck eine.gewisse Steigerung der Einspritzmenge; eine solche Steigerung hält zwar auch bei längeren Öffnungszeiten und bei, höheren Einspritzdrücken an, sie ist jedoch bei weitem nicht so groß wie die Steigerung im Bereich kleiner Einspritzmengen. Man kann sagen, daß bei geeigneter Dimensionierung und Abstimmung das erste als Drosselzapfendüse ausgebildete Einspritzventil im Bereich des Zuschaltpunktes B für das zweite Einspritzventil ausgesteuert ist und nur unwesentlich zur weiteren Steigerung der Kraftstoffzufuhr beiträgt.

Auch das zweite Einspritzventil 1o bzw. 1o' ist in seiner bevorzugten Ausführungsform als Zapfendüse, jedoch ohne Drosselwirkung ausgebildet, wie dies im unteren Teil von Fig. 4 angedeutet ist. Im Bereich der Düsenöffnung 38 ist ein die Ventilnadel 36 umgebender Ringraum dargestellt, in den der einzuspritzende Kraftstoff unter Druck hineingepreßt wird. Wie durch strichpunktierte Linien angedeutet, kann durch nischenartige Ausnehmung des Zylinderkopfes 3 im mündungsnahen Bereich des Einspritzventiles der erwähnte Ringraum thermisch exponiert werden und außerdem selber besonders groß bemessen werden, so daß er die gesamte bei Vollast einzuspritzende Menge zu speichern vermag. Dadurch wird ein extrem geringer Zündverzug oder sogar eine völlige Ausschaltung von Zündverzug erreicht. Der unter Druck im Ringraum gespeicherte vorgewärmte Kraftstoff kann nach seiner Einspritzung und Entspannung sofort verdampfen und aus der Dampfform sich selbst verzugsfrei entzünden.

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Als Alternative zu einer Zuschaltung des zweiten Einspritzventiles über ein elektromagnetisch betätigbares Absperrventil ist in Fig. 4 eine mechanische Blockierung der Ventilnadel 36 in der Schließstellung gezeigt. Die Ventilnadel wird durch eine Ventilschließfeder 37 in der in vollen Linien dargestellten Schließstellung gehalten und durch den Druck in der einzuspritzenden Kraftstoffflüssigkeit entgegen der Kraft der Ventilschließfeder vom Ventilsitz abgehoben. Zur Begrenzung des Maximalhubes der Ventilnadel ist auch hier ein Anschlagzapfen 39 für die Ventilnadel vorgesehen. Oberhalb dieses Anschlagzapfens ist in einem Schlitz ein Anschlagschieber 4o quer zur Längsachse der Ventilnadel beweglich gelagert. Der Anschlagschieber enthält eine Durchlaßbohrung 41, die in der in Fig. 4 dargestellten Ruhelage des Anschlagschiebers gleichachsig mit dem Anschlagzapfen 39 liegt. Der Anschlagzapfen 39 reicht mit seiner oberen Stirnseite in der geschlossenen Stellung der Ventilnadel gerade spielfrei bis an die Unterseite des Anschlagschiebers 4o bzw. des Führungsschlitzes für ihn. Die Stärke A des Anschlagschiebers ist auf die Größe des erforderlichen Nadelhubes H₂ des zweiten Einspritzventiles bemessen. In der dargestellten Lage des Anschlagschiebers kann die Ventilnadel bei Kraftstofförderung in den erwähnten Ringraum hinein sich vom Ventilsitz abheben und mit dem Anschlagzapfen in die Durchlaßbohrung 41 nach oben hineintauchen bis zum Anschlagen an die obere Wandung des Führungsschlitzes für den Anschlagschieber. Die dargestellte Stellung des Anschlagschiebers wird durch eine Rückholfeder 42 und durch einen als Anschlagzapfen für die rechte dargestellte Extremlage wirksamen noch zu erläuternden Arbeitsanker 44 bestimmt. Der Anschlagschieber ist elektromagnetisch durch eine um den Arb_weitsanker herum an-

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geordnete'Betätigungsspule 43 bewegbar, die den Arbeitsanker nach links entgegen der Kraft der Rückholfeder bis zum Anschlagen des Anschlagzapfens 45 für den Schieber bewegt. Dadurch gelangt der geschlossene Teil des Anschlagschiebers in -den Bereich der Stirnseite des Anschlagzapfens 39 für die Ventilnadel, wodurch diese in der Schließstellung blockiert ist. Es können jetzt aufgrund eines unvermeidbaren Spieles zwischen Anschlagzapfen 39 und Anschlagschieber 4o allenfalls noch extrem geringe Ventilnadelhübe und dementsprechend extrem geringe Einspritzmengen durch das zweite Einspritzventil in den Arbeitsraum gelangen. Bei einer thermisch exponierten Anordnung des unteren Teils des Einspritzventiles ist eine solche geringfügige Einspritzung in ihrer Funktion vernachlässigbar, zumal eine solche Ventilnadelblockierung auf den unteren thermisch weniger die Motorteile belastenden Bereich beschränkt ist, in dem aufgrund des Luftüberschusses ohnehin gute Voraussetzungen für eine vollständige Verbrennung vorliegen. Die etwaig dennoch über das zweite Einspritzventil in den Brennraum gelangten Kraftstoffpartikel verbrennen dort auch bei schlechter Strahlqualität aufgrund der großen Hitze des Einspritzventiles, aufgrund des Luftüberschusses und aufgrund der intensiven Umströmung des düsennahen Bereichs des zweiten Einspritzventiles.

In Fig. 5 sind die wirksamen Öffnungsquerschnitte F der beiden Einspritzventile über dem Nadelhub H eingetragen. Die strichlierte Linie ist die Hub/Querschnitt-Linie für das erste Einspritzventil. Im Bereich sehr kleiner Hübe wird der Öffnungsquerschnitt durch den Hub selber bestimmt.

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Ab einer bestimmten Nadelerhebung bestimmt hingegen der Querschnitt des ringförmigen Spaltes 3o den wirksamen Querschnitt; der Öffnungsquerschnitt des ersten Einspritzventiles bleibt von da an hubunabhängig konstant, auch bevor die Ventilnadel ihren hubbegrenzenden Anschlag erreicht hat. Beim zweiten Einspritzventil hat die als voller Linienzug dargestellte Hub/Querschnitt-Kurve einen ständig ansteigenden Verlauf. Die nur für den Bereich der oberen Last gültige strichpunktiert dargestellte Gesamtquerschnittslinie ergibt sich durch Summation der beiden vorgenannten Hub/Querschnitt-Linien. Aufgrund der unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten und unterschiedlicher effektiver Einspritzdrücke können die Einspritzmengen von den grafisch dargestellten Öffnungsquerschnitten zum Teil erheblich abweichen.

Der weiter oben bereits erwähnte zeitverzögerte Einspritzbeginn E- des zweiten Einspritzventiles gegenüber dem Einspritzbeginn E- des ersten Einspritzventiles kann zum einen in bekannter Weise dadurch erzielt werden, daß der Einspritzdruck des zweiten Einspritzventiles höher gewählt wird als der des ersten Einspritzventiles. Der Druckaufbau in den Zuleitungen von der Einspritzpumpe zu den Einspritzventilen stellt sich aufgrund einer nichtvernachlässigbaren Leitungselastizität und aufgrund einer ebenfalls nichtvernachlässigbaren Kompressibilität des flüssigen Kraftstoffes als ein zeitlicher. Vorgang dar. Werden die Einspritzdrücke der beiden Einspritzventile unterschiedlich hoch festgelegt, so öffnet das Einspritzventil mit dem niedrigeren Einspritzdruck früher als das mit dem höheren Einspritzdruck. Die Zeitdifferenz entspricht der Differenz der

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Einspritzdrücke. Die Höhe des Einspritzdruckes selber kann durch die Vorspannung und/oder die Kennlinie der Ventilschließfeder und/oder durch die Bemessung der wirksamen Kolbenfläche der Ventilnadel beeinflußt werden. Zwar schließt das zuerst öffnende Einspritzventil auch als letztes; es bleibt also langer geöffnet. Die Zeitspanne zwischen dem Schließen des zweiten Einspritzventiles und dem des ersten Einspritzventiles ist jedoch wesentlich geringer als die Zeitspanne zwischen den beiden entsprechenden Öffnungszeitpunkten, weil beim Förderbzw. Einspritzende der Förder- bzw. Einspritzdruck wesentlich schneller zusammenbricht als er beim Förderbeginn aufgebaut wurde. Aus diesem Grunde schließt das erste Einspritzventil nur unwesentlich später als das zweite, wenn der Zeitverzug des Einspritzbeginnes der beiden Einspritzventile durch eine unterschiedliche Auslegung des Einspritzdruckes bewirkt ist.

Der erwähnte Zeitversatz zwischen den beiden Zeitpunkten des Einspritzbeginnes der beiden Einspritzventile kann aber auch durch ein hydraulisches Verzögerungsglied 5o nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 bewirkt werden. Derartige Verzögerungsglieder sind ebenfalls an sich bekannt und es soll hier lediglich das Prinzip angedeutet werden. Solche Verzögerungsglieder bieten bei der vorliegenden Anwendung die Möglichkeit, die Einspritzdrücke der beiden Einspritzventile nach anderen Gesichtspunkten zu wählen. Beispielsweise kann bei Anordnung eines Verzögerungsgliedes in der Zuleitung 21 zu dem zweiten Einspritzventil 1o bzw. 1o' der Einspritzdruck des ersten Einspritzventiles 9 bzw. 9¹ auch

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höher gewählt werden als der des zweiten Einspritzventiles. Bei einer geeigneten Auslegung und gegenseitigen Abstimmung der Einspritzdrücke der Einspritzventile und der Ansprechdrücke des Verzögerungsgliedes kann beispielsweise bewirkt werden, daß bei Ablaufen der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes und einem dementsprechenden Durchschalten zu dem zweiten Einspritzventil der Förderdruck um ein gewisses Maß zusammenbricht und den Einspritzdruck für das erste Einspritzventil unterschreitet, so daß das erste Einspritzventil schließt. Dadurch kann eine Überfettung der Nebenkamm erLadung im oberen Lastbereich vermieden werden.

Das in Fig. 6 beispielsweise dargestellte Verzögerungsglied weist einen Steuerkolben 51 mit einer oberen (56) und einer unteren Steuerkante 57 auf, der durch eine Rückholfeder 52 in die obere in vollen Linien dargestellte Endlage gedrückt wird. Das Verzögerungsglied ist in die Zulaufleitung 21 für das zweite Einspritzventil geschaltet; außerdem ist es mit einer Ablaufbohrung 58 mit der Zulaufleitung zu der Einspritzpumpe 11 verbunden. Diese steht unter dem relativ niedrigen Zulaufdruck, der durch eineVorförderpumpe 59 aufgebaut wird. Im Zulauf zu dem oberen Arbeitsraum oberhalb des Steuerkolbens 51 ist eine Zulaufdrossel 53 angeordnet. In die Wandung des Verzögerungsgliedes ist ein Umgehungskanal 55 zur Umgehung der Zulaufdrossel eingearbeitet. Dieser Umgehungskanal schneidet auf einer bestimmten Höhe die Zylinderlaufbahn des Steuerkolbens an; in der angehobenen Kolbenstellung wird dieser Umgehungskanal verschlossen, hingegen in der unteren, mit strichpunktierten Linien angedeuteten Endstellung des Steuerkolbens durch die obere Steuerkante 56 aufgesteuert. Die in definierter Höhenlage

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relativ zur unteren Steuerkante 5 7 angeordnete Ablaufbohrung 58 ist normalerweise offen, so daß das unterhalb des Kolbens befindliche verdrängte Öl dort entweichen kann. In der unteren Endstellung wird jedoch die Ablaufbohrung durch die untere Steuerkante zugesteuert. Zwischen der oberen mechanisch vorgegebenen Entstellung des Steuerkolbens und der unteren durch das Zusteuern der Ablaufbohrung 58 und das Aufsteuern des Umgehungskanales 55 bestimmten strichpunktiert angedeuteten Endstellung vollführt der Steuerkolben einen Steuerkolbenhub h. Entsprechend diesem Steuerkolbenhub und der Querschnittsfläche des Steuerkolbens vermag das Verzögerungsglied ein gewisses Steuervolumen aufzunehmei/. Die Wirkungsweise des Verzögerungsgliedes ist nun kurz folgende: Ausgehend von einem beispielsweise oberhalb des Einspritzdruckes des ersten Einspritzventiles 9 bzw. 9' liegenden Druckes in der Zulaufleitung 21 zum zweiten Einspritzventil vermag der Kraftstoff den Steuerkolben entgegen der Rückholfeder 52 über die Zulaufdrossel 53 hinweg nach unten zu drücken. Das Auffüllen des Steuervolumens über die Zulaufdrossel 53 bedarf eine gewisse Zeit, die bei geeigneter Dimensionierung und Abstimmung der Einzelelemente des Verzögerungsgliedes der Zündverzugs zeit entsprechen .kann. Bei einem Zusteuern der Ablaufbohrung und einem Aufsteuern des Umgehungskanales 55 wird eine ungedrosselte Verbindung der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Verzögerungsgliedes geschaffen, so daß der Förderdruck in der Einspritzleitung 2o durch die Zulaufleitung 21 ungehindert zum zweiten Einspritzventil 1o bzw. 1o' durchschlagen kann. Dieses öffnet sehr rasch und es kommt aufgrund der beginnenden Einspritzung am zweiten Einspritzventil zu

O wozu entsprechend der Bemessung der Zulaufdrossel 53, der Härte der Rückholfeder 52 und des anstehenden Förderdruckes eine gewisse Zeit erforderlich ist.

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einer gewissen Entspannung in dem Leitungssystem 2o, 21. Dieser Druckabfall kann bei einer geeignet ausgelegten Hö he des Einspritzdruckes am ersten Einspritzventil dazu ausgenutzt werden, daß dieses schließt. Trotz eines solchen Druckabfalls bleibt der Steuerkolben 51 gleichwohl in seiner abgesenkten Stellung stehen, weil der Förderdruck ungehindert auf die Oberseite des Steuerkolbens einwirken kann. Die Einspritzung kann nun ausschließlich über das zweite Einspritzventil 1o bzw. 1o' direkt in den Hauptarbeitsraum erfolgen, wobei die zündverzugsarme Direkteinspritzung durch die Zündladung pneumatisch und energiereich im Hauptarbeitsraum homogen verwirbelt und verteilt wird. Dank einer Abschaltung der ersten Einspritzung nach Einspritzbeginn des zweiten Einspritzventiles wird" eine Überfettung der Vorkammerladung und somit ein Crackvorgang der zweiten Einspritzmenge mit damit verbundenem Zündverzug vermieden.

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Claims (9)

1. Daimler-Benz Aktiengesellschaft

   Stuttgart-Untertürkheim Daim 12 371/4

   31.5.79

   Ansprüche

   Luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Hauptarbeitsrauin und einer Nebenkammer, insbesondere einer Vorkammer mit Mehrlochbrenner, die über einen Schußkanal mit dem Hauptarbeitsraum in Verbindung steht, ferner mit einem in den Schußkanal einspritzenden ein- oder mehrstrahligen Einspritzventil, dessen Einspritzstrahl(en) durch wenigstens eine Öffnung des Schußkanales hindurch direkt in den Hauptarbeitsraum gerichtet ist (sind), gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) außer dem genannten, nachfolgend als zweites Einspritzventil (1o, 1o^f) bezeichneten Einspritzventil ist an der Nebenkammer (6, 7) selber noch ein indirekt einspritzendes - erstes Einspritzventil (9, 9') vorgesehen;

   b) das als Drosselzapfendüse ausgebildete erste Einspritzventil (9, 9¹) ist im Nadelhub (H..) und im Abspritzquerschnitt (F) auf konstante Werte begrenzt ', derart, daß last- und/oder drehzahlunabhängig über nahezu den ganzen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine außer in-

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   nerhalb des unteren Teillastbereiches (b ) eine etwa konstante Einspritzmenge in die Nebenkammer (6, 7) eingespritzt wird;

   c) es sind Mittel vorgesehen, die das zweite Einspritzventil (1o, 1ο¹) erst mit einem gewissen Zeitversatz (d\..) gegenüber dem Öffnen (E..). des 'ersten Einspritzventiles (9, 9¹) öffnen lassen;

   d) es sind Mittel vorgesehen, die das zweite Einspritzventil (1o, 1o') erst oberhalb einer bestimmten Lasteinsteuerung (B) der Brennkraftmaschine (1) wirksam werden lassen, so daß im unteren Lastbereich (b ) Kraftstoff alleine indirekt über das erste Einspritzventil (9, 9') eingespritzt wird.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch

   die

   gekennzeichnet , daß/Mittel zum zeitversetzten öffnen (E₂) des zweiten Einspritzventiles (1o, 1ο¹) darin bestehen, daß der Einspritzdruck des ersten Einspritzventiles (9, 9') geringer ist als der des zweiten (1o, 1ο'). *
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum zeitversetzten öffnen (E₂) des zweiten Einspritzventiles (1o, 1ο¹) darin bestehen, daß in der Zuleitung (21) zum zweiten Einspritzventil (1o, 1o') ein Verzögerungsglied (5o) angeordnet ist.

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4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum lastabhängigen Zuschalten (B) des zweiten Einspritzventiles (1o, 1ο') darin bestehen, daß in der Zuleitung (21) zum zweiten Einspritzventil (1o, 1o') ein lastabhängig betätigtes, vorzugsweise elektromagnetisch betätigtes Absperrventil (15) angeordnet ist.
5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet , daß die Mittel zum lastabhängigen Zuschalten (B) des zweiten Einspritzventiles (1o, 1o') darin bestehen, daß am zweiten Einspritzventil (1o, 1o') ein beweglicher, vorzugsweise ein radial zur Ventilnadelführung beweglicher, insbesondere elektromagnetisch (43, 44) antreibbarer Anschlag (4o) vorgesehen ist, der in der eingeschobenen Stellung die Ventilnadel (36) in deren Schließstellung blockiert.
6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einspritzventil (9, 9') mit seinem Einspritzstrahl (73) derart wandverteilt einspritzend an der Nebenkammer (6, 7) angeordnet ist, daß der Einspritzstrahl (73) die im Schußkanal (8, 8¹) befindlichen Luftpartikel nicht erreicht.

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7. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 mit etwa kugelförmiger Wirbelkammer als Nebenkammer mit tangential in sie einmündendem Schußkanal, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einspritzventil (9) etwa tangential und gleichgerichtet mit dem Wirbelkammerdrall (65) einspritzend an der Wirbelkammer (6) angeordnet ist, wobei der Einspritzstrahl (73) des ersten Einspritzventiles (9) neben der Einmündungsöffnung des Schußkanales (8) in die Wirbelkammer (6) auf deren Innenwand auftrifft und daß das zweite Einspritzventil (1o) etwa gleichachsig zum Schußkanal (8) ebenfalls tangential an der Wirbelkammer (6)^vangeordnet ist (Fig.1)
8. 8. Brennkraftmaschine nach .Anspruch 6 mit im wesentlichen birnen- oder flaschenförmiger Vorkammer als Nebenkammer und Mehrlochbrenner am hauptraumseitigen Ende des Schußkanales, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einspritzventil (9^f) mit seinem Einspritzstrahl (73) etwa parallel oder nur geringfügig geneigt zum Schußkanal (8') angeordnet ist, daß im Bereich des Übergangs zum Schußkanal (8') im Innern der Vorkammer (7) ein mittig kugelförmig verdickter (72) Querstift (71) angeordnet ist, auf den der Einspritzstrahl (73) des ersten Einspritzventiles (9') gerichtet ist und daß das zweite Einspritzventil (1ο¹) radial zum Schußkanal (8¹) quer oder geneigt zu dessen Längsachse im Bereich des Mehrlochbrenners (70) angeordnet ist, wobei der oder die Einspritzstrahl(en) (74) auf ein bzw. mehrere Löcher (75) des Mehrlochbrenners (70) gerichtet ist (sind) (Fig. 2).

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9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der düsennahe Bereich des zweiten Einspritzventiles (Ιο, 1ο¹) thermisch exponiert angeordnet ist.

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