DE3632579C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-PS 32 45 780 bekannt.

Bei einer Brennkraftmaschine mit Schichtladung und Fremdzündung ist die Sicherstellung der Entflammung des Luft-Kraftstoffgemischs unter allen möglichen Betriebsbedingungen, sei es Kaltstart, Leerlauf oder Nennleistung, eines der Hauptprobleme. Das bedeutet, daß die Gemischzusammensetzung in dem nur wenige Kubikmillimeter großen Raum zwischen den Zündkerzenelektroden, den der Zündfunke bestreicht, während des Funkenüberschlags lange genug innerhalb der Zündgrenzen liegen muß, um eine für das Weiterbrennen der Zylinderladung ausreichend große Flamme zu erzeugen. Da sich die Luftgeschwindigkeit im Brennraum und die eingespritzte Kraftstoffmenge in weiten Grenzen ändern, ist dieses Problem nur durch sorgfältige Abstimmung einer ganzen Reihe von Parametern zu lösen, wie z. B. Form und gegenseitige Lage von Brennraum, Einspritzstrahl und Kerzenelektroden, weiter Intensität der Drallströmung sowie Phasenlage von Einspritz- und Zündvorgang. Dabei ist jeweils Rücksicht zu nehmen auf spezifischen Kraftstoffverbrauch, Abgasverhalten und Bauteilbelastung.

Beim Stand der Technik (DE-PS 32 45 780) galten diese Überlegungen damals für einen Saugmotor. Beim Übergang vom Saugmotor auf einen leistungsstärkeren aufgeladenen Motor erhöht sich der Schwierigkeitsgrad des vorher beschriebenen Optimierungsprozesses, da sich hier sowohl die eingespritzte Kraftstoffmenge als auch die durchgesetzte Luftmenge in stärkerem Maße ändern als beim Saugmotor (zwischen unterem Leerlauf und Nennleistung liegen größere Einspritzmengen- und Luftge­ schwindigkeitsspannen vor). Dabei zeigte es sich, daß dabei der Form des Kolbenbrennraums besonders große Bedeutung zukommt.

In der DE-PS 32 45 780 wurde der Übergang von einer kugelähnlichen Brennraumform zu einer flacheren Form beschrieben. Die Gründe dafür waren

• a) Abbau der Quetschströmung zur Verbesserung der Zündungsstabilität und der thermischen Entlastung des Brennraumrandes.
• b) Verwendung von möglichst kurzen Elektroden wegen sonst vorhandener Bruch- und Verformungsgefahr und wegen Verringerung des thermisch bedingten Abbrandes.

Die Brennraumform bzw. die Strahllage gemäß dem Stand der Technik ergibt bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bei hoher Drehzahl und kleiner Motorbelastzung eine zu magere Gemischqualität. Eine Möglichkeit hier Abhilfe zu schaffen, wäre, den Strahlauftreffpunkt näher an die Zündkerze zu bringen. Dies würde zwar die Teillastschwierigkeiten beheben, aber dafür die wegen des größeren Kraftstoffangebots sowieso schon größeren Schwierigkeiten im höheren Lastbereich (fettes Gemisch) weiter erhöhen. Besser erscheint es deshalb, die Teillastschwierigkeiten dadurch zu beheben, daß bei ungeänderter Strahllage die Krümmung der Brennraumwand erhöht und das Gemisch in Kerzennähe auf diese Weise angefettet wird. Die hierzu erforderliche sehr starke Krümmung der Brennraumwand würde zu einem gemischbildungs- und verbrennungstechnisch ungünstig großen und flachen Brennraum führen (Brennraumvolumen soll ja gleich bleiben). Der dabei vorliegende große Brennraumdurchmesser würde die notwendige Drallintensität zu stark herabsetzen. Außerdem ergäbe sich damit bei höherer Motorbelastung eine zu große Filmdicke, die erfahrungsgemäß zu Nachteilen durch verschleppte Verbrennung führt (zu fettes Gemisch im höheren Lastbereich).

Durch die DE-PS 9 69 826 ist es ferner bekannt, einen im Querschnitt gesehen elliptischen Brennraum in einem Kolbenboden vorzusehen.

Die Einspritzdüse soll schräg angeordnet sein und die Einspritzdüse möglichst nahe einer Zylinderachse in den Zylinderraum einmünden. Die Schrift zeigt eine Brennraumform für eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit luftverteilender Einspritzung. Der eingespritzte Brennstoffstrahl gelangt somit nicht auf die Oberfläche der Wände des Brennraumes. Eine solche Brennraumform ist deshalb nicht geeignet für fremdzündende Dieselmotoren, welche zündunwillige Brennstoffe verarbeiten sollen. Bei solchen Brennstoffen lagert sich der eingespritzte Brennstoff zunächst an den Wänden des Brennraumes an. In der Nähe einer Zündvorrichtung muß in allen Betriebszuständen ein Brennstoff-Luftgemisch innerhalb der für den Brennstoff charakteristischen Zündgrenzen vorliegen. Bei der elliptischen Brennraumform ist dies nicht der Fall, da die Krümmung in den seitlichen Scheiteln der Ellipse zu gering ist, um bei Schwachlastbetrieb genügend Brennstoff aufzunehmen, d. h., das Gemisch ist zu mager.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die beim Übergang auf einen aufgeladenen Motor gestiegenen Anforderungen an die Gemischbildung in allen Betriebsbereichen zu erfüllen, d. h. weder ein zu mageres noch ein zu fettes Luft-Kraftstoffgemisch entstehen zu lassen, wobei die vorstehend erwähnten Vorteile a und b weiter verbessert werden sollen und stets eine sichere Zündung und optimale Verbrennung des aufbereiteten Gemisches erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Gegenüber dem Stand der Technik (dort liegt eine Brennraumform aus zwei Kreisbögen und einem geraden Bodenstück vor), ist also jetzt eine korbähnliche Brennraumform aus insgesamt drei ineinander übergehenden Krümmungsradien entstanden. Eine zu starke Krümmung des Bodenbereichs bzw. eine zu starke Wandkrümmung zum Brennraumboden hin wird dabei durch den Radius R₂ der zweiten Krümmungslinie verhindert.

Damit ergibt sich zwar eine insgesamt stärkere Krümmung des für die Gemischbildung wesentlichen Brennraumwandbereichs (Brennraumäquatorbereichs), die vorher erwähnten Nachteile einer zu starken Krümmung der Brennraumwand bzw. des Brennraumbodens (sofern R₃ sofort in R₁ übergeht) treten aber nicht auf. Es ist nämlich durch diese geringe Wandkrümmung unterhalb des Brennraumäquators eine bessere Ausweichmöglichkeit für den Kraftstoff geschaffen worden, so daß bei Vollast ein zu fettes Gemisch an den Elektroden nicht auftreten kann. Auch ergeben sich durch die Kreisbogenform des Brennraumbodens (Vertiefung!) keinerlei Störungen der Luftströmung, d. h. es liegen nach wie vor gleiche Drallverhältnisse vor. Auch das Brennraumvolumen bleibt erhalten.

Durch die Schräglage der Zündvorrichtung wird nicht nur deren Einbau erleichtert, sondern auch eine Überfettung des Brennstoff- Luftgemisches oberhalb der oberen Zündgrenze vermieden, so daß selbst bei aufgeladenen Motoren und Brennstoffen mit niedrigem Heizwert, die eine hohe Einspritzmenge erforderlich machen, keine Überfettung des Brennstoff-Luftgemisches im Bereich der Zündvorrichtung entstehen kann.

Durch die erzielte sehr große Stabilität der Zündung bzw. der Verbrennung wird auch die Notwendigkeit verringert, die Zündvorrichtung beispielsweise mit Stabelektroden auszustatten, die eine Länge von mehreren Millimetern zueinander parallel sind, um den elektrischen Funken Gelegenheit zu geben, den Zyklusschwankungen hinsichtlich der räumlichen Gemischverteilung zu folgen. Das heißt, daß damit eine größere Freiheit bei der Auswahl der Elektrodenform gegeben ist. Da die Standzeit (Langzeithaltbarkeit) der Zündquelle, insbesondere bei hochverdichteten fremdgezündeten Motoren ein spezifisches Problem darstellt, wird die oben erwähnte Tatsache dazu benutzt, daß Zündquellen zur Anwendung kommen, bei denen geringere Temperaturen an den Elektrodenflächen und damit bedingte geringere Abbrandgeschwindigkeiten entstehen. Dies wird beispielsweise durch eine Zündkerze ohne vorstehende Elektroden erreicht. Zwar ist bei derartigen Kerzen die Versorgung der Elektroden mit zündfähigem Gemisch schwieriger als bei Kerzen mit vorstehenden Haken- oder Stabelektroden, da keine durch die Ladungsbewegung im Brennraum reduzierte Strömung zwischen den Elektroden auftritt, doch erweist sich hier gerade die Schräganordnung der Kerze als vorteilhaft, weil dadurch die Stirnfläche mit den Elektroden dem Kraftstoffstrahl zugewandt ist, und die Zündung hier durch die relativ kleine Menge direkt luftverteiltem Kraftstoff erreicht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Kolbens bzw. Zylinderkopfes.

In der Figur ist im Boden 1 a eines Kolbens 1 mittig oder nahe­ zu mittig ein Brennraum 3 mit einer eingeschnürten Brennraum­ öffnung 3 a angeordnet. Der flüssige Kraftstoff wird aus einer nicht näher dargestellten Einspritzdüse 8, welche außermittig im Zylinderkopf 2 angeordnet ist, zu einem im Hinblick auf die Art der Betriebsbedingungen und die Art des Kraftstoffes (Siede­ lage und Zündwilligkeit) geeigneten Zeitpunkt mit nur einem Strahl 9 in den Brennraum 3 in Richtung der rotierenden Ver­ brennungsluft eingespritzt. Der Auftreffpunkt des Kraftstoff­ strahls auf der Brennraumwand 4 ist mit 9 a bezeichnet und liegt im Bereich des größten Brennraumdurchmessers D _B (in OT-Stellung des Kolbens). Der Strahlabspritzpunkt 8 a der Ein­ spritzdüse 8 liegt dabei in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes.

Dem Strahlabspritzpunkt 8 a gegenüber ist eine in dem Kolben­ boden 1 a bzw. der Brennraumwand 4 eingearbeitete Ausnehmung 10 vorgesehen, in die in oberer Totpunktstellung des Kolbens 1 eine Zündvorrichtung 11, welche ebenfalls im Zylinderkopf 2 ange­ ordnet ist, eintaucht. Die Zündvorrichtung besteht beispiels­ weise - wie in der Figur dargestellt - aus mehreren Stab­ elektroden; es kann aber auch eine Zündvorrichtung mit Haken­ elektroden verwendet werden. Wie in der Figur dargestellt, ver­ läuft die Zündvorrichtung 11 vom Brennraum 3 schräg nach außen (bezogen auf OT-Stellung des Kolbens). Dadurch wird die Durch­ führung der Kerzeneinbauöffnung durch die Zylinderkopf-Ventil­ haube (was bei einer senkrecht zum Kolbenboden 1 a angeordneten Zündvorrichtung notwendig ist) vermieden. Die Schräganordnung der Zündvorrichtung 11 wird durch die erreichte Gemischbildungs­ verbesserung ermöglicht.

Die Seitenwandung bzw. der Boden des Brennraumes 3 wird aus drei ineinander übergehenden gekrümmten Linien 5, 6, 7 ge­ bildet, wobei sich die erste Krümmungslinie 5 mit dem Krümmungsradius R ₁ von der eingeschnürten Brennraumöffnung 3 a bis zum größten Brennraumdurchmesser D _B und die zweite Krümmungslinie 6 mit dem Krümmungsradius R ₂ bis zum Brennraum­ boden 7 erstreckt bzw. in diesen übergeht. Der Brennraumboden selbst stellt dabei die dritte Krümmungslinie 7 mit dem Krümmungsradius R ₃ dar. Der größte Brennraumdurchmesser D _B , in dessen Horizontalebene auch die Mittelpunkte der Krümmungs­ linien 5, 6 liegen, beträgt dabei das 0,5- bis 0,7fache des Kolbendurchmessers D _K und befindet sich vom Kolbenboden 1 a aus, in einer Tiefe t _D , die dem 0,42- bis 0,70fachen der Brennraumtiefe T _B entspricht. Der Krümmungsradius R ₁ der Brennraumseitenwandung 4 weist dabei eine Länge von 0,35 bis 1,20 T _B , der Krümmungsradius R ₂ eine Länge von 0,10 bis 0,40 T _B auf. Der Krümmungsradius R ₃ der Bodenkrümmungslinie 7 (Mittel­ punkt liegt auf der Brennraumlängsachse x) liegt zwischen 3,2 bis 4,0 T _B . Schließlich liegt der Durchmesser d _H der eingeschnürten Brennraumöffnung 3 a zwischen 0,85 und 0,95 D _B , wobei die Wandhöhe t _H dieser Öffnung zwischen 0,1 und 0,15 T _B beträgt.

Die Kraftstoffstrahl-Lage bzw. die Zuordnung des Kraftstoff­ strahl-Auftreffpunktes 9 a auf der Brennraumwand zur Zündvor­ richtung 11 stimmen mit der gattungsgemäßen Brennkraftmaschine überein.

Abschließend ist noch zu erwähnen, daß - bedingt durch die mittels der erfinderischen Merkmale erreichten Zündungs- bzw. Verbrennungsverbesserungen - eine Zündvorrichtung ohne vorstehende Stab- oder Hakenelektroden zur Benutzung kommen kann. Durch eine derartige Zündvorrichtung wird die Abbrand­ geschwindigkeit der Elektroden weiter verringert.

Claims (2)

1. Fremdgezündete, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes durch einen Strahl zu einem Hauptteil auf die gegenüberliegende Wand des im Kolben vorgesehenen rotationskörperförmigen Brennraumes, bei der der einströmenden Luft durch bekannte Mittel eine solche Drallbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform von der Brennraumwand allmählich abgelöst und mit der Luft vermischt wird, die Einspritzdüse im Zylinderkopf in der Nähe des Brennraumrandes liegt und die der Einspritzdüse gegenüberliegende Zündvorrichtung in oberer Totpunktstellung des Kolbens in den Brennraum eintaucht, bei der die Seitenwandung des Brennraumes - im Querschnitt gesehen - aus zwei ineinander übergehenden gekrümmten Linien mit Krümmungsradius (R₁, R₂) gebildet ist, wobei sich die erste Krümmungslinie mit dem Radius (R₁) von einer eingeschnürten Brennraumöffnung bis zum größten Brennraumdurchmesser (D _B) und die zweite Krümmungslinie mit dem Radius (R₂) bis zum Brennraumboden erstreckt bzw. in diesen übergeht, bei der der größte Brennraumdurchmesser (D _B) das 0,5- bis 0,7fache des Kolbendurchmessers (D _K) beträgt und - vom Kolbenboden aus - sich in einer bestimmten Tiefe (t _D) im Verhältnis zur Brennraumtiefe (T _B) befindet, wobei das Verhältnis Brennraumöffnungsdurchmesser (d _H) zu größtem Brennraumdurchmesser (D _B) zwischen 0,85 und 0,95 und die Wandhöhe (t _H) der Brennraumöffnung zwischen 0,1 und 0,15 T _B liegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Krümmungslinie mit einem Radius (R₃) an die Krümmungslinie mit dem Radius (R₂) anschließt und den Boden (7) des Brennraumes (3) bildet, daß der größte Brennraumdurchmesser (D _B) in einer Tiefe (t _D) von 0,42 bis 0,70 T _B liegt und bestimmte Verhältnisse zwischen den Radien, R₁, R₂ und R₃ und der Brennraumtiefe (T _B) vorgesehen ist, derart, daß der Radius (R₁) eine Länge von 0,35 bis 1,20 T _B, der Radius R₂ eine Länge von 0,10 bis 0,40 T _B und der Radius R₃ eine Länge voon 3,2 bis 4,0 T _B aufweist, daß die Brennkraftmaschine aufgeladen ist und daß eine vom Brennraum (3) schräg nach außen verlaufende Zündvorrichtung (11) zur Anwendung kommt.

2. Brennkraftmaschine nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (11) ohne vorstehende Stab- oder Haken-Elektroden Verwendung findet.