DE2945898A1

DE2945898A1 - Verfahren zum verbrennen von fremdzuzuendenden kraftstoffen

Info

Publication number: DE2945898A1
Application number: DE19792945898
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Chmela
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1981-05-27

Description

Maschinenfabrik: Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, l}. Nov. 1979

Verfahren zum Verbrennen von fremdzuzündenden Kraftstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von fremdzuzündenden Kraftstoffen in einer luftverdichtenden, direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, welche eine über einen Verbindungskanal mit dem Zylinderinnenraum verbundene Zündkammer aufweist, in die eine Kraftstoff-Einspritzdüse sowie die Elektroden einer Zündkerze hineinragen, und bei der im Kolbenboden ein rotationskörperförmiger Brennraum vorgesehen ist, wobei der in den Zylinder einströmenden Luft durch bekannte Mittel eine um die Brennraumlängsachse rotierende Drehbewegung erteilt wird und der Verbindungskanal in der Nähe der Brennraumwand in den Zylinderinnenraum einmündet.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist bereits durch die DE-AS 1 251 577 bekannt. Sie weist einen relativ langen überströmkanal auf und der im Kolbenboden vorgesehene Brennraum ist napfförmig ausgebildet. Während des Betriebes wird über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine eine gleichbleibende und zum Zünden durch die Zündkerze ausreichende Leerlaufmenge Kraftstoff in die Zündkammer

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eingespritzt, während der Kolben durch den Luft- oder Gemischeinlaßkanal eine nicht geregelte Luftmenge ansaugt, der Je nach der vorliegenden Drehzahl oder Belastung über eine zweite Kraftstoff-Einspritzdüse eine entsprechende Menge Kraftstoff direkt zugeführt wird. Dieses Kraftstoff-Luftgemisch wird durch den aus der Zündkammer austretenden Zündstrahl in der Nähe der Brennraumwand gezündet. Die Brennkraftmaschine arbeitet also nach dem Verfahren der unmittelbaren Kraftstoff-Luftvermischung und sie hat zwei Einspritzvorrichtungen, wodurch vielfach konstruktive Schwierigkeiten auftreten, weil man die Einspritzvorrichtungen und die Zündkerze nicht mehr unmittelbar in Brennraumnähe im Zylinderkopf unterbringt.

Ferner sind, allerdings selbstzündende^Brennkraftmaschinen bekannt, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung (DE-PS 865 683) arbeiten. Bei ihnen wird der Kraftstoff als dünner Film auf die Brennraumwand aufgebracht, verdampft dort und vermischt sich schließlich mit der rotierenden Luft. Da das Verfahren insbesondere bezüglich der Laufruhe und auch in anderen Punkten große Vorteile bietet, wurde der Motor, wie beispielsweise aus der DE-ÖS 26 Il 624.5 hervorgeht, später auch zur Verbrennung von fremdzuzündenden Kraftstoffen weiterentwickelt.

Dabei liegen die in den Brennraum hineinragenden Zündkerzenelektroden in einer starken turbulenten Strömung, die sich aus dem Ansaugluftdrall und der Quetschströmung in der Nähe des oberen Kolbentotpunkten zusammensetzt. Demgemäß ist es schwierig, den Kraftstoff derart in die Nähe der Elektroden zu bringen, damit dort zum Zeltpunkt des Funkenüberschlages ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Dies gelingt nur unter Verwendung von Spezialzündkerzen

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mit verhältnismäßig langen Elektroden, die noch dazu eine bestimmte Strecke parallel zueinander verlaufen müssen, um der örtlichen Zufälligkeit des Vorhandenseins eines zündfähigen Gemisches zu begegnen. Die genannte Zufälligkeit der Gemischverteilung führt besonders im unteren Lastbereich zu Unregelmäßigkeiten bei der Entflammung sowie zu vermehrtem Ausstoß von unverbrannten Kraftstoffteilen.

Eine weitere Ursache für das Auftreten unverbrannter Kraftstoffbestandteile in den Abgasen ist die Schwierigkeit, die periphärische Ladungsschichtung in dem verwendeten Kugelbrennraum im unteren Lastbereich in ausreichendem Maß aufrechtzuerhalten, um die Bildung zu magerer Gemischteile zu vermeiden, die von der Flamme nicht erfaßt werden können.

Schließlich ist die verhältnismäßig niedrige Brennraumwandtemperatur im unteren Lastbereich die Ursache dafür, daß dort befindlicher Kraftstoff an der Verbrennung nicht teilnimmt und den Zylinder unverbrannt verläßt.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, unter Verwendung einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art ein Verfahren zu entwickeln, nach dem fremdzuzündende Kraftstoffe sicher gezündet und vollständig verbrennbar sind, und nach dem alle Vorteile der Motoren, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeiten, genützt werden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der aus der Düsenbohrung bzw.aus den Düsenbohrungen austretende

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Kraftstoffstrahl durch die Zündkammer und den Verbindungskanal hindurch auf die Wand des im Kolben befindlichen Brennraumes aufgespritzt wird, wo er sich als dünner Film ausbreitet, daß durch die während des Kompressionshubes des Kolbens auftretende Luftströmung in die Zündkammer sowie durch eine ohnehin vorhandene Steuerung des Kraftstoffes beim Austreten aus der DUsenbohrung einzelne Kraftstoffteilchen vom freien Kraftetoffstrahl abgelöst werden und mit der Luft und den in der Zündkammer verbliebenen Restgas ein zündfähiges Gemisch bilden, welches durch die Elektroden der Zündkerze in der Zündkammer entzündet wird, daß durch den Verbindungskanal eine Flamme in den im Kolbenboden angeordneten Brennraum gelangt und den dort von der Wand abdampfenden Kraftstoff entzündet, und daß sodann der weitere Verbrennungsablauf in bekannter Weise wie bei nach dem Verfahren der Kraftstoff -Wandauftragung arbeitenden Brennkraftmaschinen erfolgt.

Durch die Anwendung der bekannten Anordnung werden zunächst konstruktive Schwierigkeiten ausgeräumt, weil die Kraftstoff-Einspritzdüse und die Zündkerze nicht unmittelbar bis an den Brennraum im Kolben herangeführt werden müssen. Auch wird eine zweite Einspritzdüse überflüssig.

Weiter ist nach der Erfindung das Verfahren der Kraftstoff -Wandauftragung voll anwendbar, seine Vorteile können also benutzt werden und die Verbrennung erfolgt allein schon deshalb vollständig, weil der aus der Düsenöffnung am Ende der Einspritzphase drucklos austretende Kraftstoff nicht in den Hauptbrennraum gelangen kann, wo er nach den bisherigen Erfahrungen unvollständig verbrennt, sondern in der ZUndkammer aufgefangen und dort vollständig umgesetzt wird.

Die vollständige Verbrennung ist ferner durch eine sichere

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Zündung gewährleistet und es kann dafür sogar eine absolut konventionelle Zündkerze verwendet werden.

Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei Leerlauf sowie im unteren Teillastbereich des Motors der gesamte, durch die Düsenbohrung bzw. die Düsenbohrungen austretende Kraftstoff durch entsprechende Zerstäubung und gegebenenfalls Strahlumlenkung ausschließlich in die Zündkammer eingespritzt wird und sich dort mit der einströmenden Luft vermischt.

Die Umschaltung auf diese Einspritzart erfolgt dabei rein durch die Ausbildung der Einspritzdüse und es sind bereits eine Reihe von verschiedenen Düsen bekannt, die dafür verwendbar sind. Als Beispiel sei eine steuerbare Zweilochdüse oder eine Unsetzdüse angeführt.

Durch die beschriebene Weiterbildung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf engem Raum konzentriert, wodurch das Auftreten von magerem und damit schwer entflammbaren Gemischzonen verhindert wird. Außerdem liegt die Wandtemperatur der Zündkammer wegen der weit größeren Energiedichte höher als vorher die Wandtemperatur des Brennraumes.

Das vorgeschlagene Verfahren ist daher ein Hybridverfahren in zweifacher Hinsicht. Zum einen vereinigt es als fremdgezündetes Verfahren mit Kraftstoff-Wandauftragung die Eigenschaften eines Dieselmotors und des Ottomotors, zum anderen aber die von Schichtlademotoren einmal mit peripherischer Ladungsschichtung und weiter mit Ladungsschichtung durch Unterteilung des Verbrennungsraumes.

Einzelheiten einer Brennkraftmaschine, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, können der nach-

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folgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigen:

Fig. I einen Querschnitt durch einen Teil des Zylinders und des Zylinderkopfes einer für das Verfahren geeigneten, im wesentlichen bereits bekannten Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den unteren Teil einer an sich bekannten Kraftstoff-Einspritzdüse zur Durchführung des Verfahrens.

In Fig. I ist in einem nur zum Teil dargestellten Zylinder I ein Kolben 2 verschiebbar gelagert, der in seinem Kolbenboden 3 einen kugelförmigen Brennraum 4 mit einem eingeschnürten Hals 5 aufweist. Mittels einer Dichtung 6 und einem Zylinderkopf 7 ist der Zylinderinnenraum 8 nach oben hin dicht abgeschlossen. Im Zylinderkopf 7 ist eine Zündkammer 9 vorgesehen, die durch einen Verbindungskanal 10 in den Zylinderinnenraum 8 einmündet. Gegenüber dem Verbindungskanal 10 ist die Zündkammer 9 durch eine Wärmeschutzplatte Il und eine in einem Düsenhalter 12' befestigte Kraftstoff-Einspritzdüse 15 abgeschlossen. Der Düsenhalter 12, die Kraftstoff-Einspritzdüse 15, die ZUndkammer 9 und der Verbindungskanal 10 weisen die gleiche Längsachse χ auf, die derart schräg verläuft, daß der Verbindungskanal 10 am Rand des Brennraumes 4 in Richtung der Luftdrehung 14 in den Zylinderinnenraum 8 einmündet.

In einem spitzen Winkel zur Längsachse x, der je nach den Verhältnissen unterschiedlich groß sein kann, mündet in die Zündkammer 9 eine Bohrung 15 ein, in der eine Zündkerze eingeschraubt ist, deren Elektroden zum Teil in die Zünd-

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kammer 9 eintauchen.

Im mittleren und oberen Lastbereich des Motors wird der Kraftstoff, wie Position 17 zeigt, mit einem gebündelten Strahl durch die Zündkammer 9 und den Verbindungskanal 10 hindurch direkt an die Wand 18 des Brennraumes 4 gespritzt, wo er sich als dünner Film 19 ausbreitet und anschließend in Dampfform durch die rotierende Luft abgelöst und mit ihr vermischt wird. Bei Leerlauf und im unteren Teillastbereich des Motors erfolgt durch Änderung der Strahlform und Strahlrichtung die Kraftstoffeinspritzung so, daß ein Sprühstrahl 20 (strichliert angedeutet) entsteht, durch den der Kraftstoff nur in der Zündkammer 9 verteilt wird, sich dort mit der Luft vermischt und schließlich nach Zündung verbrennt.

Wie beispielsweise eine solche Änderurg des Kraftstoffstrahles erfolgen kann, zeigt die Einspritzdüse nach Fig. 2. In einem Düsenkörper 21 ist eine Düsennadel 22 axial verschiebbar gelagert, die mit einem Zapfen 23 durch eine Bohrung 24 des Düsenkörpers 21 ragt. Der Zapfen 23 weist eine Einschnürung 23a und an seinem freien Ende eine konische Verjüngung 23b auf. Hebt sich die Düsennadel 22 nur geringfügig von ihrem Dichtsitz 25 ab, so gelangt der Kraftstoff durch die Bohrung 24 in die Zündkammer 9* wobei er durch die Einschnürung 23a einen ringförmigen, sich kegelförmig erweiternden Strahl bildet. Ist die Düsennadel 22 voll geöffnet, wird durch die konische Verjüngung 23b ein kompekter Strahl gebildet, der bis in den Brennraum 4 gelangt.

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Leerseite

Claims

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Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Aktiengesellschaft

Nürnberg, 13. Nov. 1979

Patentansprüche

Verfahren zum Verbrennen von fremdzuzündenden Kraftstoffen in einer luftverdichtenden, direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, welche eine über einen Verbindungskamal mit dem Zylinderinnenraum verbundene Zündkammer aufweist, in die eine Kraftstoff-Einspritzdüse sowie die Elektroden einer Zündkerze hineinragen, und bei der im Kolbenboden ein rotationskörperförmiger Brennraum vorgesehen ist, wobei der in den Zylinder einströmenden Luft durch bekannte Mittel eine um die Brennraumlängsachse rotierende Drehbewegung erteilt wird, und der Verbindungskanal in der Nähe der Brennraumwand in den Zylinderinnenraum einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Düsenbohrung (24) bzw.aus den Düsenbohrungen austretende Kraftstoffstrahl (17) durch die Zündkammer (9) und den Verbindungskanal (10) hindurch auf die Wand (18) des im Kolben (2) befindlichen Brennraumes (4) aufgespritzt wird, wo er sich als dünner Film (19) ausbreitet, daß durch die während des Kompressionshubes des Kolbens (2) auftretende Luftströmung in die Zündkammer (9)

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ORIGINAL INSPECTED

sowie durch eine ohnehin vorhandene Steuerung des Kraftstoffes beim Austreten aus der DUsenbohrung (24) einzelne Kraftstoffteilchen vom freien Kraftstoffstrahl (17) abgelöst werden und mit der Luft und den in der Zündkammer (9) verbliebenen Restgas ein zündfähiges Gemisch bilden, welches durch die Elektroden der Zündkerze (16) in der Zündkammer (9) entzündet wird, daß durch den Verbindungskanal (10) eine Flamme in den im Kolbenboden (3) angeordneten Brennraum (4) gelangt und den dort von der Wand (18) abdampfenden Kraftstoff entzündet, und daß sodann der weitere Verbrennungsablauf in bekannter Weise wie bei nach dem Verfahren der Kraftstoff -Wandauftragung arbeitenden Brennkraftmaschinen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei Leerlauf sowie im unteren Teillastbereich des Motors der gesamte, durch die Düsenbohrung (24) bzw. die Düsenbohrungen austretende Kraftstoff durch entsprechende Zerstäubung und gegebenenfalls Strahlumlenkung ausschließlich in die Zündkammer (9) eingespritzt wird und sich dort mit der einströmenden Luft vermischt.

j}. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff direkt an die Wand (18) eines im Kolbenboden (3) angeordneten, kugelförmigen Brennraum (4) mit einem eingeschnürten Hals (5) gespritzt wird.

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