DE3207179C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem Hubkolben und einer Fremdzündvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptan­ spruchs. Eine durch die DE-OS 27 57 648 bekannte Hub­ kolbenbrennkraftmaschine hat wenigstens einen Zylinder und einen Kolben, einen Brennraum zwischen dem Kolben und einem an den Zylinder sich anschließenden Zylinder­ kopf und einen an den genannten Brennraum sich anschlie­ ßenden zusätzlichen Brennraum, der einen runden Umfang besitzt und an einem Einlaßventil endet, eine Einspritz­ düse und eine als Zündkerze ausgebildete Zündvorrich­ tung sowie Mittel zum Erzeugen einer Drallströmung, die sich in den zusätzlichen Brennraum erstreckt. Die Ein­ spritzdüse mündet in eine Ansaugleitung, die zum Ein­ laßventil führt, und ist als Mehrlochdüse ausgebildet. Sie spritzt mehrere Brennstoffstrahlen vorzugsweise gegen Ende eines jeweiligen Ansaugaktes durch das geöffnete Ein­ laßventil hindurch in den zusätzlichen Brennraum. Die Zünd­ kerze ist am Umfang des zusätzlichen Brennraums angeordnet. Infolge der nahezu gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs relativ zum Umfang des zusätzlichen Brennraums wird die Brennstoffmenge zu einem großen Teil von in den Zylinder einströmender Luft bis in diesen mitgerissen. Um Brenn­ stoffluftgemisch sicher genug entzünden zu können, darf dieses bekanntlich zumindest im Bereich der Zündvorrich­ tung nur einen begrenzten Luftüberschuß haben. Deshalb kann die bekannte Brennkraftmaschine nur mit einem ge­ ringen durchschnittlichen Luftüberschuß oder nur mit ge­ ringer Beimischung von Abgas aus dem Auspuff betrieben werden. Bei dieser Maschine ist die Ansaugleitung so ge­ staltet, daß sie als Mittel zum Erzeugen der Drallströ­ mung beim Einströmen von Luft in den zusätzlichen Brenn­ raum dient. Ein anderes Mittel zum Erzeugen einer in den zusätzlichen Brennraum fließenden, einen Drall aufweisen­ den Strömung ist durch die DE-OS 30 08 124 bekannt und besteht aus einer Gasführungsrinne, die in eine gegen den Zylinderkopf gerichtete Seite des Kolbens eingear­ beitet ist und gegen Ende eines Verdichtungshubes eine infolge von Verdrängung von Luft oder Luft enthaltendem Gemisch aus dem Zylinder entstehende Strömung mit tan­ gentialer Komponente in den zusätzlichen Brennraum und an dessen Umfang führt. Der Drall in dem zusätzlichen Brennraum bewirkt, daß spezifisch schwerere Bestandteile eines Gemisches aus Brennstoff, Luft und gegebenenfalls Abgas zum Umfang dieses Brennraums beschleunigt werden, was zu einer Brennstoffanreicherung in dem Gemisch entlang dem Umfang dieser Brennkammer führt. Bei den bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist die Anreicherung mit Brennstoff im Bereich des genannten Umfanges begrenzt, weil, wie bereits beschrieben, von den eingespritzten Brennstoffmengen große Anteile in den Zylinder gerissen werden und bei einem anschließenden Verdichtungshub nur zum Teil in den zusätzlichen Brennraum zurück gefördert werden. Der Fliehkrafteinfluß ist jedoch zu gering, um den in den zusätzlichen Brennraum zu­ rückgeförderten Brennstoff in ausreichendem Maß an dem Umfang des zusätzlichen Brennraumes anzureichern. Je höher die Temperatur des Zylinders nach der Inbe­ triebnahme der Brennkraftmaschine ansteigt, desto weniger läßt sich Brennstoff am Umfang der zusätz­ lichen Brennkammer konzentrieren.

Es besteht die Möglichkeit, in einer durch die US-PS 41 82 280 offenbarten Weise eine Einspritzdüse am Umfang des zu­ sätzlichen Brennraumes anzuordnen, und Brennstoff direkt in diesen Raum einzuspritzen während des Kompressionshubes der Brennkraftmaschine. Dies ergibt eine ausgeprägte La­ dungsschichtung, hat aber die Nachteile, daß die Einspritz­ düse Flammen ausgesetzt ist, wodurch sie schnell verkokt und altert, und als teuere Hochdruckeinspritzdüse auszu­ bilden und an eine Hochdruckeinspritzpumpe anzuschließen ist.

Bei einer durch die FR-PS 21 78 365 bekannten Brennkraftmaschine sind ebenfalls am Umfang des zusätzlichen Brennraums eine Einspritz­ düse und eine Zündkerze angeordnet. Dabei ist der zusätzliche Brenn­ raum ebenfalls oben durch ein Auslaßventil begrenzt. Zur Erzielung eines Schichtladungsbetriebs wird der Kraftstoff mittels der direkt in den zusätzlichen Brennraum einspritzenden Einspritzdüse in die Nähe der Zündkerze gebracht. Diese Ausgestaltung hat den bereits zum vorstehenden Stand der Technik erwähnten Nachteil, daß diese Ein­ spritzdüse den Flammen ausgesetzt ist und zum Verkoken neigt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß infolge einer Überkreuzanord­ nung der Zündkerze zur Einspritzdüse ein von der Düse ausgehender Einspritzstrahl sehr weit aufgefächert werden muß, da sonst der Bereich der Zündkerze nur ungenügend mit Brennstoff versorgt wird.

Eine durch die Fig. 7 der DE-OS 23 30 613 bekannte Brennkraft­ maschine besitzt einen zusätzlichen Brennraum mit einer am Umfang angeordneten Zündkerze. Dabei ist dieser zusätzliche Brennraum von einem Einlaßventil begrenzt, durch das vorzugsweise mageres Luft-Treibstoff-Gemisch in den zusätzlichen Brennraum und auch den darunter befindlichen Hauptbrennraum einströmt. Diese Brennkraft­ maschine arbeitet ohne Ladungsschichtung mit homogener Füllung des Brennraumes mit Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Eine durch die GB-PS 12 54 067 bekannte mit Ladungsschichtung arbeitende Brennkraftmaschine besitzt für ihren Hauptbrennraum und einen zugeordneten zusätzlichen Brennraum je ein eigenes Einlaß­ ventil und eine eigene direkt gegen Hochdruck im Brennraum ein­ spritzende Einspritzdüse. Zusätzlich ist auch noch für den Kalt­ betrieb ein Vergaser vorgesehen. Der zusätzliche Brennraum hat einen kreisrunden Umfang und unten eine in Umfangsrichtung verlaufende Rinne; und die Einspritzdüse spritzt einen Brennstoffstrahl senkrecht in diese Rinne. Von dort aus verfrachtet unter Drall­ bildung in die zusätzliche Brennkammer eingeströmte Luft den dort erst verdampfenden Brennstoff als zündfähige Gemischschicht zur Zündkerze, die der Einspritzdüse diametral gegenüberliegend im zusätzlichen Brennraum angeordnet ist. Durch die Zündkerze wird dieses kraftstoffangereicherte Gemisch entzündet und danach der eigentliche Verbrennungsprozeß bei Luftüberschuß eingeleitet. Die einwandfreie Arbeitsweise dieser Brennkraftmaschine bedingt eine heiße Brennraumoberfläche für die Kraftstoffaufbereitung. Das Arbeitsprinzip erlaubt ferner einen Betrieb nur mit dem erheblichen Aufwand für eine Vor- und eine Haupteinspritzung direkt in den Hauptbrennraum sowie mit einem zusätzlichen Vergaser.

Die DE-OS 25 47 036 zeigt eine Brennkraftmaschine, bei der bei offenem Einlaßventil gleichzeitig aus drei Düsen drei Brennstoff­ strahlen direkt in den Zylinder, der den einzigen Brennraum der Brennkraftmaschine bildet, eingespritzt werden. Hierbei können die Kosten einer Hochdruckeinspritzung vermieden werden. Dabei bleibt es einem Anwender der vorbekannten Einspritzdüsenanordnung freige­ stellt, den geeigneten Platz für eine Zündkerze selbst zu bestimmen.

Ausgehend von der Brennkraftmaschine gemäß der DE-OS 27 57 648 stellte sich die Aufgabe, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die mit wenig Aufwand mit einem insgesamt höheren Luftüberschuß im Schichtladebetrieb betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat den Vorteil, daß trotz Anordnung der Einspritzdüse im Ansaugrohr die Brennkraftmaschine mit hohem durchschnittlichen Luftüberschuß und/oder mit Abgasbeimischung arbeiten kann zur Verminderung des Verbrauchs und von unerwünschten Bestandteilen wie Stickoxid im Abgas. Die Einspritzdüse kann weiter­ hin in bekannter Weise als preisgünstige Niederdruckeinspritzdüse ausgebildet sein und mittels einer billigeren Niederdruck­ pumpe mit Brennstoff versorgt werden.

Die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 und 3 geben für die Anordnung bzw. Gestaltung von Zündvorrichtungen Ausführungsbeispiele an, von denen eines in Abhängigkeit von der Verdunstungseigenschaft eines zu verwendenden Brennstoffs und von der zu erwartenden Geschwindigkeit, die eine Drallströmung im Bereich der Zündvorrichtung hat, sowie den Zeitspannen, die zwischen dem Schließen des Einlaßventils und dem Zündzeitpunkt auftreten, aus­ gewählt werden kann.

Zeichnungen

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraft­ maschine mit wenigstens einem zusätzlichen Brennraum im Längsschnitt durch den zusätzlichen Brennraum,

Fig. 2 die gegenseitige Ausrichtung von Bauteilen der Brenn­ kraftmaschine gemäß der Fig. 1 in der Draufsicht,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel im Längsschnitt,

Fig. 4 Einzelteile des zweiten Ausführungsbeispiels nach der Fig. 3 in der Draufsicht,

Fig. 5 ein drittes Ausführungs­ beispiel im Längsschnitt und

Fig. 6 Einzelteile dieses dritten Ausführungsbeispiels nach der Fig. 5 in der Drauf­ sicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das erste Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 2 hat wenigstens einen Zylinder 3 mit einem in ihm heb- und senkbaren Kolben 4, einen mit dem Zylinder 3 verbundenen Zylinderkopf 5, ein in dem Zylinderkopf 5 angeordnetes Einlaßventil 6, zwei Auslaßventile 7, eine Einspritzdüse 8 und eine Fremdzündvorrichtung 9. Zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinderkopf 5 befindet sich innerhalb des Zylinders 3 ein Brennraum 10. Dem Einlaßventil 6 ist innerhalb des Zylinderkopfes 5 ein Ventilsitz 11 zuge­ ordnet. An den Ventilsitz 11 schließt sich in Richtung des Zylinders 3 ein zusätzlicher Brennraum 12 an. Dieser zusätzliche Brennraum 12 ist vorteilhafterweise rotations­ symmetrisch ausgebildet, konzentrisch zu dem Ventilsitz 11 ausgerichtet und mit dem Brennraum 10 verbunden. Der Durchmesser des zusätzlichen Brennraums 10 ist größer gewählt als seine Höhe. Ein Übergang 13, der sich zwi­ schen dem zusätzlichen Brennraum 12 und dem Brennraum 10 befindet, ist nach Art einer Einschnürung gestaltet. Oberhalb des Ventilsitzes 11 endet an diesem ein An­ saugkanal 14. Der Ansaugkanal 14 ist vorzugsweise in bekannter Weise so gestaltet, daß er bei geöffnetem Einlaßventil 6 und sich abwärts bewegendem Kolben 4 eine Luftmenge, die in den zusätzlichen Brennraum 12 und den Brennraum 10 strömt, so lenkt, daß diese Luft­ menge mit Drall in den zusätzlichen Brennraum 12 hinein strömt. Vorzugweise hat der Kolben 4 auf seiner zum Zylinderkopf 5 gerichteten Seite 15 eine Gasführungs­ rinne 16. Beim Verdichtungshub des Kolbens 4 in Rich­ tung des Zylinderkopfes 5 gedrängte Luft strömt zum Teil durch diese Gasführungsrinne 16 zu dem Übergang 13 und schließlich in den zusätzlichen Brennraum 12. Die Gasführungsrinne 16 ist mit ihrem zum Übergang 13 führenden Ende so ausgerichtet, daß der in den Übergang 13 strömenden Luft ein Drall gegeben wird. Durch die Anordnung der Gasführungsrinne 16 kann die Drallanfachung, die mittels des Ansaugkanals 14 vor­ genommen wird, niedrig gehalten werden. Dies hat den Vorteil, daß nur wenig Druckgefälle im Ansaugkanal 14 zur Drallbildung erforderlich ist, und daß deshalb die Brennräume 10 und 12 selbst bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine gut mit Luft füllbar sind.

Die Einspritzdüse 8 ragt in den Ansaugkanal 14. Sie hat ein Spritzloch 17, durch das die jeweils einzuspritzen­ de Brennstoffmenge im wesentlichen in Form eines kompakten Strahles hindurch gepumpt wird. Zu diesem Zweck ist die Einspritzdüse 8 in an sich bekannter Weise an eine nicht dargestellte Einspritzpumpe angeschlossen. Die Fremdzünd­ vorrichtung 9 ist als Normalzündkerze mit einer Masseelek­ trode 18 und einer isoliert angeordneten Elektrode 19 aus­ gebildet. Die Fremdzündvorrichtung 9 ist so zum Umfang 20 des zusätzlichen Brennraums 12 ausgerichtet, daß ihre Elektroden 18, 19 in diesen Brennraum 12 hineinragen. Die Einspritzdüse 8 und ihr Spritzloch 17 sind so ausgerich­ tet, daß bei geöffnetem Einlaßventil 6 ein Brennstoff­ strahl 21 eine Zone um die Elektroden 18, 19 trifft. Da­ durch wird eine unerwünschte Überflutung der Elektroden 18 und 19 mit Brennstoff vermieden, was Zündaussetzern vorbeugt. Der Brennstoff wird also im Bereich der Elek­ troden 18, 19 an der Zündvorrichtung 9 und am Umfang 20 der zusätzlichen Brennkammer 12 angelagert. Die in Um­ fangsrichtung der zusätzlichen Brennkammer 12 rotierende Drallströmung aus angesaugter Luft und gegebenenfalls einer Abgasbeimischung nimmt an dem Umfang 20 und der Zündvorrichtung 9 angelagerten Brennstoff auf. Dieser Vorgang wird bei betriebswarmer Brennkraftmaschine durch die Temperatur, die der Zylinderkopf 5 angenommen hat, unterstützt. Infolge der Ausrichtung der Einspritzdüse und ihres Spritzloches 17 ist sichergestellt, daß zum Zeitpunkt, an dem die Funkenzündung erfolgen soll, an den Elektroden in ausreichender Menge Brennstoff vor­ handen ist. In einer Entfernung von der Zündvorrichtung 9 bzw. dem Umfang 20 des zusätzlichen Brennraums 12 darf der Anteil von Brennstoff in der Luft wesentlich gerin­ ger sein, weil sich von der Zündvorrichtung ausgehend schnell eine Flamme ausbreitet, die die übrige Menge des Brennstoffes sicher entflammt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel einer Brennkraft­ maschine 32, ist eine Fremdzündvorrichtung 39 so aus­ gerichtet, daß ihre Elektroden 18, 19 außerhalb des Umfangs 20 des zusätzlichen Brennraums 12 ausgerichtet sind. Zu diesem Zweck geht von dem Umfang 20 eine Nische 42 aus. Die Nische wird gebildet von einer Ver­ längerung eines Aufnahmeloches 43, in das die Zünd­ vorrichtung 39 hineinragt. Ein aus der Einspritzdüse 8 austretender Brennstoffstahl 21 trifft diese Nische 42, die als Brennstoffspeicher wirkt. Dadurch wird sicher­ gestellt, daß auch bei leicht flüchtigen Brennstoffen in der Zeitspanne, die zwischen dem Ende des Einspritz­ vorganges bzw. Schließen des Einlaßventils 6 und dem Zündzeitpunkt verstreicht, noch ausreichend Brennstoff in derjenigen Luft, die die Elektroden 18 und 19 umgibt, vorhanden ist für eine sichere erste Entflammung. In der Nische 42 können sich kleinräumige Wirbel, die von entlang dem Umfang 20 strömender Luft angefacht werden, bilden. Diese kleinräumigen Wirbel nehmen Brennstoff auf und bilden dieserart ein Gemischvolumen, das leicht ent­ flammbar ist und eine kräftige, in den zusätzlichen Brenn­ raum 12 gerichtete Zündfakel bildet.

Beim dritten Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 62 ist eine Fremdzündvorrichtung 69 als Zündkammerkerze ausgebildet. Diese Zündkammerkerze hat eine Zündkammer 70, mit einer ersten Öffnung 71 und einer zweiten Öffnung 72, einer Masseelektrode 18 und einer isolierten Elektrode 19. Die Öffnung 71 ist im wesentlichen in Richtung des Spritz­ loches 17 der Einspritzdüse 8 gerichtet. Die Öffnung 72 mündet in den zusätzlichen Brennraum 12 nahe von dessen Umfang 20 in eine Richtung, die sich im wesentlichen strom­ abwärts von entlang dem Umfang 20 strömender Luft er­ streckt. Vorteilhafterweise sind Temperiermittel 73 in­ rerhalb der Zündkammer 70 angeordnet. Diese Temperier­ mittel 73 bestehen beispielsweise aus mit verdampfbaren Medien gefüllten Hohlräumen und/oder Heizwiderständen, die in der DE-OS 27 15 953 näher beschrieben sind. Brennstoff, der gegen Ende eines Saughubes mittels der Einspritzdüse 8 in Richtung der Zündvorrichtung 69 gespritzt wird, gelangt zu einem Teil durch die Öffnung 71 hindurch in die Zündkammer 70. Innerhalb dieser Zünd­ kammer wird aus diesem Brennstoff und Luft ein brenn­ bares Gemisch gebildet, das mittels der Elektroden 18 und 19 gezündet wird. Die Entflammung des Gemisches be­ wirkt, daß aus den Öffnungen 71 und 72 Zündfakeln aus­ treten. Die Zündfakel aus der Öffnung 72 entzündet dabei in der Nähe des Umfangs 20 Gemisch, das am Umfang 20 besonders mit Brennstoff aus derjenigen Menge, die nicht in die Zündkammer eingedrungen ist, angereichert ist. Die Zündfakel aus der Öffnung 71 erfaßt Brennstoffluft­ gemisch, das einen größen Abstand von dem Umfang 20 hat. Die Temperiermittel 73 sorgen dafür, daß bereits kurze Zeit nach Inbetriebnahme der kalten Brennkraftmaschine aus Brennstoff und Luft ein zündwilliges Gemisch inner­ halb der Zündkammer entsteht. Die Temperiermittel sorgen andererseits aber auch dafür, daß während des Normalbe­ triebs der Brennkraftmaschine eine Überhitzung der Zünd­ kammer 70 und der Elektroden 18, 19 vermieden und Glüh­ zündungen verhindert werden. Die Zündkammer 70, die Elek­ troden 18, 19 und die Temperiermittel 73 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 74, das in eine Aufnahmeöffnung 75, die sich im Zylinderkopf befindet, eingesteckt, in eine als vorteilhaft ermittelte Drehausrichtung gebracht und mittels einer nicht dargestellten Spannbrille oder dergleichen in dieser Ausrichtung gesichert wird.

Welches der drei Ausführungsbeispiele der Brennräume 12 mit den Fremdzündvorrichtungen 9, 39, 69 ausgewählt wird, hängt, wie bereits in der Einleitung erwähnt, von den Verdampfungseigenschaften des zu verwendenden Brenn­ stoffs, der Umfangsgeschwindigkeit des Dralls in dem zusätzlichen Brennraum 12 und von den Drehzahlbereichen, innerhalb denen die Brennkraftmaschine den geringsten spezifischen Verbrauch haben soll, ab.

Claims (3)

1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit wenigstens einem Zylinder und einem Hubkolben und einem Zylinderkopf, mit einer an den Kolben sich in Richtung des Zylinderkopfes anschließenden, ersten Brennraumhälfte, mit einer zweiten Brennraumhälfte, die sich im Zylinderkopf befindet und zwischen der ersten Brennraumhälfte und einem Einlaßventil angeordnet ist und einen im wesentlichen kreis­ runden Umfang hat, mit Mitteln zum Erzeugen einer Drallströmung, die sich in der zweiten Brennraumhälfte um dessen Achse dreht, mit einem zu dem Einlaßventil führenden Ansaugkanal, mit einer in den Ansaug­ kanal mündenden Einspritzdüse zum Einspritzen von Brennstoff durch das geöffnete Einlaßventil in die zweite Brennraumhälfte und mit einer Zündkerze im Bereich des Umfangs der zweiten Brennraumhälfte, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (8) als Einlochdüse ausgebildet ist, und daß der Kraftstoff im wesentlichen in Form eines kompakten Strahles in eine Zone um die Zündkerze (9; 39; 69) trifft, und daß die Elektroden (18, 19) der Zündkerze in einer Nische (42), die vom Umfang (20) der zusätzlichen Brennkammer (12) ausgeht, angeordnet sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nische (42) gebildet ist von einem brennraumseitigen Ende eines die Zündkerze (39) aufnehmenden Loches (43).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (69) in einer Zündkammer angeordnet ist, und daß die Zündkammer (70) eine im wesentlichen gegen das Spritzloch (17) der Einspritzdüse gerichtete Öffnung (71) und eine im wesentlichen auf den Umfang (20) der zweiten Brennraumhälfte (12) und im wesentlichen in die Umlaufrichtung der Drallströmung ausgerichtete Öffnung (72) hat.