DE3641953A1 - Reciprocating piston internal combustion engine with direct injection with jet deflector pin, which is movable in its axial direction and arranged in the combustion chamber - Google Patents

Reciprocating piston internal combustion engine with direct injection with jet deflector pin, which is movable in its axial direction and arranged in the combustion chamber

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Abstract

A reciprocating piston internal combustion engine with direct fuel injection is demonstrated, in which deflection of the fuel jet occurs only during the starting and warm-up phase. In the piston (3) of the internal combustion engine, at least one cylindrical bore (5) with stepped diameter is arranged, which opens into the combustion chamber recess (4) with an orifice (6) of smaller diameter than that of the bore (5), the interior being connected to the combustion chamber (10) by a gas port (9). A bimetal element (11) and a jet deflector pin (7) are fitted in this bore. In the starting and warm-up phase the deflector pin is situated in the area of the fuel jet and causes the particles striking it during injection to be deflected far from the still cold combustion chamber wall. Once the engine reaches its operating temperature, the deflector pin (7) is retracted from the combustion chamber recess by a bimetal element reacting to heat and contracting, and then lies with its end face even with the inner surface of the combustion chamber space, so that there is no interference with injection and combustion (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende selbstzünden­ de Hubkolbenbrennkraftmaschine mit direkter Einspritzung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an air-compressing auto-ignition de Reciprocating piston engine with direct injection according to the preamble of claim 1.

Bei Motoren mit Direkteinspritzung handelt es sich um ein Verbrennungsverfahren mit wandnaher Gemischbildung, wo der Brennstoffstrahl gegen die Wand einer im Kolben gebildeten Brennraummulde gerichtet wird, und darauf einen Brenn­ stoff-Film bildet.Engines with direct injection are one Combustion process with mixture formation close to the wall, where the Fuel jet against the wall of one formed in the piston Combustion chamber bowl is directed, and then a burning fabric film forms.

Es ist bekannt, daß insbesondere bei Motoren mit Direkt­ einspritzung die instationären Start- und Warmlaufphasen extreme Betriebszustände darstellen, die zwangsläufig mit vom stationären Betrieb stark abweichender Schadstoffemis­ sion verbunden sind. Die relativ hochliegende HC-Emission, die bei den instationären Betriebszuständen auftritt, ist in erster Linie ein Temperaturproblem, d. h. sie wird un­ mittelbar auf die im Brennraum noch zu niedrige Temperatur der Brennraummuldenwand zurückgeführt. Unter diesen Um­ ständen wird lediglich nur ein kleiner Teil des einge­ spritzten Brennstoffs gezündet, während der weitaus größere Teil für die homogene Gemischbildung und Verbrennung ver­ loren geht. Dieser gelangt dann unverbrannt in den Auspuff und ruft die dafür charakteristische Reizwirkung und Ge­ ruchsbelästigung hervor. Erst nach fortschreitender Ver­ brennung tritt durch die heißen Verbrennungsgase ein be­ schleunigtes Abdampfen des Kraftstoff-Filmes von der Brennraummuldenwand ein, und die Verbrennung nimmt von nun an einen stabilen Verlauf (Phase des stationären Betriebs).It is known that in particular for motors with direct injection the transient start and warm-up phases represent extreme operating conditions that inevitably with Pollutant emissions that differ greatly from stationary operation sion are connected. The relatively high HC emission, which occurs in the transient operating states primarily a temperature problem, i. H. it will be un indirectly to the temperature that is still too low in the combustion chamber led back to the combustion chamber wall. Under this order only a small part of the splashed fuel ignited while the much larger one Part for the homogeneous mixture formation and combustion ver  loren goes. This then goes unburned into the exhaust and calls the characteristic stimulus and ge nuisance. Only after progressive Ver Burning occurs due to the hot combustion gases accelerated evaporation of the fuel film from the Combustion chamber trough wall, and the combustion takes off from now a stable course (phase of stationary operation).

Für den instationären Betrieb eines Motors sind daher be­ sondere Maßnahmen nötig, um in dieser Phase die Gemisch­ bildung homogener und somit zündwilliger zur bereiten.For the unsteady operation of an engine are therefore special measures are necessary to ensure the mixture in this phase education more homogeneous and therefore more willing to prepare.

Eine dieser Maßnahmen sieht vor, den Kraftstoffstrahl von der kalten Wand abzulenken und in die Brennraummulde mit der Verbrennungsluft zusammenzubringen. Bei der DE-AS 12 02 561 ist eine Einspritzbrennkraftmaschine be­ schrieben, wo in der Brennraummulde die Kraftstoffteilchen auf aus der Seitenwand hervorragende kugelige Flächen ex­ zentrisch aufprallen und sich weit weg von der Muldenwand im Raume verteilen.One of these measures provides for the fuel jet from to divert the cold wall and into the combustion bowl to bring the combustion air together. In the DE-AS 12 02 561 is an injection engine wrote where the fuel particles in the combustion chamber trough on spherical surfaces excellent from the side wall ex bounce centrically and away from the wall of the trough distribute in space.

Ferner ist in der DE-OS 24 25 554 eine Kolbenbrennkraftma­ schine beschrieben, bei der in dem dem Brennraumboden nä­ heren Bereich des größten Brennraumdurchmessers eine vor­ zugsweise senkrecht zum statischen Strahlverlauf der Ein­ spritzdüse verlaufende Prallfläche angeordnet ist. Diese Prallfläche kann von einem in der Brennraumwand fest ange­ ordneten abgeflachten Stift oder durch einen vom Brenn­ raumboden sich rampenförmig erhebenden Vorsprung gebildet sein. Eine andere Variante sieht vor, im Bereich der Brennraumöffnung im flachen Winkel gegen den statischen Strahlverlauf der Einsrpitzdüse geneigt eine Prallfläche anzubringen, die durch den Kopf eines einschraubbaren Ein­ satzes gebildet ist.Furthermore, in DE-OS 24 25 554 a piston internal combustion engine machine described in the nä in which the combustion chamber floor range of the largest combustion chamber diameter preferably perpendicular to the static beam path of the on spray nozzle extending baffle is arranged. These Baffle surface can be fixed in the combustion chamber wall arranged flattened pen or by one of the burner formed floor ramp-like projection be. Another variant provides in the area of Combustion chamber opening at a flat angle against the static one The jet course of the single-tip nozzle inclines an impact surface  attach by the head of a screw-in one sentence is formed.

Diese Lösungen haben zum Ziel, bei Start- und Warmlaufphase den eingespritzten Brennstoff von der noch kalten Wand der Brennraummulde abzulenken, um damit die Verbrennung gün­ stig zu beeinflussen. Diese fest angeordneten Prallflächen bringen zwar bei den oben genannten Betriebszuständen spürbare Verbesserung der Verbrennung, bei dem eigentli­ chen Stationärbetrieb des Motors wirken diese Elemente je­ doch auf die günstigen Strömungsverhältnisse der sich auf den glatten Flächen der Brennraummulde bildenden Luftdrall sehr negativ aus, und führen zu Verbrennungsstörungen, die zum Anstieg der Emission von Ruß, Kohlenmonoxyd und Koh­ lenwasserstoff führen.The aim of these solutions is during the start-up and warm-up phase the injected fuel from the still cold wall of the Deflect the combustion chamber trough to make the combustion green influence. These fixed baffles bring in the above operating conditions noticeable improvement in the combustion of the actual Chen stationary operation of the engine, these elements each have an effect but on the favorable flow conditions of the the smooth surfaces of the combustion bowl forming air swirl very negative, and lead to burn disorders that to increase the emission of soot, carbon monoxide and Koh lead hydrogen hydrogen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hubkol­ benbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahinge­ hend zu verbessern, daß die vorhin erwähnten Nachteile im stationären Betrieb beseitigt werden und eine automatische Anpassung des Brennraumes an den jeweiligen Betriebszu­ stand geschaffen wird, um in allen Phasen des Motorlaufs eine optimale Verbrennung zu erreichen.The invention is based on the object, a Hubkol Internal combustion engine of the type mentioned initially hend to improve that the disadvantages mentioned above in stationary operation and an automatic Adaptation of the combustion chamber to the respective operating conditions was created to run in all phases of the engine to achieve optimal combustion.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dabei kann der Kraftstrahl - solange die Wände der Brennraummulde noch kalt sind - von dem Ablenkbolzen gezielt bei Start- und Warmlaufphase abgelenkt, und bei stationärem Betrieb den ursprünglichen und für die Strömung idealen Anfangszustand der Brennraummulde wieder hergestellt werden. This object is achieved by the features listed in the characterizing part of claim 1. The power jet - as long as the walls of the combustion chamber trough are still cold - can be deflected by the deflection pin in a targeted manner during the start and warm-up phase, and the original initial condition of the combustion chamber trough, which is ideal for the flow, can be restored during stationary operation.

In der Ausbildung der Erfindung ist der Strahlablenkbolzen in einer im Kolben angeordneten Bohrung angebracht, die eine Öffnung zu der Brennraummulde aufweist, durch die pa­ rallel zur ihrer Achse der Strahlablenkbolzen je nach Be­ triebszustand ein- oder ausgefahren wird. Die Bewegung des Ablenkbolzens wird durch den temperaturabhängigen Reg­ ler gesteuert, der zusammen mit dem Ablenkbolzen in die Bohrung untergebracht ist. Der Innenraum dieser Bohrung ist vorteilhafterweise mit dem Brennraum durch einen Gas­ kanal direkt verbunden, damit der augenblickliche Stand der im Brennraum herrschenden Temperatur von dem tempera­ turabhängigen Regler registriert und dementsprechend die Lage des Ablenkbolzens festlegt. Ferner wird der Ablenk­ bolzen durch die heißen Abgase, die durch den Verbindungs­ kanal in die Bohrung hineinströmen, erhitzt, wodurch die Verdampfung des auf seinem in der Brennraummulde sich be­ findlichen Teil beschleunigt wird und die Verbrennung ak­ tiviert.In the embodiment of the invention is the beam deflecting bolt in a bore arranged in the piston, the has an opening to the combustion chamber trough, through which pa parallel to their axis the beam deflecting bolt depending on the Be drive state is retracted or extended. The movement of the deflection bolt is controlled by the temperature-dependent Reg ler controlled, which together with the deflection pin in the Hole is housed. The interior of this hole is advantageously with the combustion chamber by a gas channel directly connected so that the current status the temperature in the combustion chamber from the tempera door-dependent controller and accordingly the Defines the position of the deflection pin. Furthermore, the distraction bolt through the hot exhaust gases coming through the connection flow into the bore, heated, causing the Evaporation of itself in the combustion chamber well sensitive part is accelerated and the combustion ak activated.

Gemäß Anspruch 4 wird die Bohrung nach dem Einbauen des Reglers und des Ablenkbolzens mit einem passenden Ver­ schlußteil dicht verschlossen, damit vom Triebwerk her nichts hineinfließt (Schmieröl oder Kraftstoff), was die Funktion der Innenteile beeinträchtigen kann.According to claim 4, the hole after installing the Controller and the deflection bolt with a suitable ver closing part tightly sealed, so from the engine nothing flows in (lubricating oil or fuel) that the Function of the internal parts can impair.

In besonderer Ausführung der Erfindung wird ein Bimetall­ element als temperaturabhängiger Regler eingebaut, da er­ fahrungsgemäß das Bimetallelement preiswert zu beschaffen ist, einwandfrei funktioniert und den motorischen Ge­ gebenheiten leicht angepaßt werden kann.In a special embodiment of the invention, a bimetal element installed as a temperature-dependent controller because it to procure the bimetallic element inexpensively according to the method of driving is, works perfectly and the motor Ge conditions can be easily adjusted.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 5 und 6) sind die Bohrung und der Ablenkbolzen so dimensioniert, und das Bimetallelement so angepaßt, daß der Ablenkbolzen bei Start und während der Warmlaufphase hinreichend weit in den Brennstoffstrahl hineinragt und in einer optimalen Lage gebracht ist, was sowohl den Mischungsvorgang des Brennstoffs mit der Ladung als auch den Verbrennungsablauf während dieser Phase positiv beeinflußt und das Erreichen des stationären Zustandes des Motors innerhalb kurzer Zeit bewirkt.In a further embodiment of the invention (claims 5 and 6) the bore and the deflection bolt are dimensioned so  and adapted the bimetallic element so that the deflecting pin Sufficiently wide at start and during the warm-up phase protrudes into the fuel jet and in an optimal Positioned is what both the mixing process of the Fuel with the load as well as the combustion process positively influenced and reaching during this phase the steady state of the engine within a short time causes.

Erreicht der Motor die für den stationären Verlauf erfor­ derliche Temperatur, dann zieht sich das Bimetallelement zusammen und holt den damit verbundenen Ablenkbolzen aus der Brennraummulde zurück.If the motor reaches the required for the stationary course temperature, then the bimetallic element pulls together and pulls out the associated deflection pin the combustion chamber trough.

Das Bimetallelement ist vorteilhafterweise so bestellt, daß es in einer Endstellung so blockiert, daß der aus der Brennraummulde und hinein in die Bohrung gezogene Ablenk­ bolzen in einer Lage gebracht wird, wo seine entsprechend geformte Stirnfläche mit der Oberfläche der Brennraummulde glatt abschließt. Dadurch sind die Konturen der Brennraum­ mulde frei von jeglichen Teilen und Unebenheiten, die die Drehbewegung der Ladung und den Verbrennungsablauf stören oder beeinträchtigen können.The bimetallic element is advantageously ordered that it is blocked in an end position so that the from the Combustion chamber trough and deflection drawn into the bore bolt is placed in a position where its appropriate shaped face with the surface of the combustion chamber trough closes smoothly. This makes the contours of the combustion chamber trough free of any parts and bumps that the Rotate the load and disrupt the combustion process or can affect.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.Preferred embodiment of the invention is in the Drawings shown.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit in die Brennraummulde ragendem Strahlablenkbolzen bei Start- und Warmlaufphase. Fig. 1 shows a vertical section through a reciprocating internal combustion engine with the beam deflecting bolt protruding into the combustion chamber cavity during the start and warm-up phase.

Fig. 2 einen Teilschnitt der Brennkraftmaschine in Stationärbetrieb, wo der Strahlablenkbolzen durch das warmgewordene Bimetallelement aus der Brennraummulde zurückgezogen ist. Fig. 2 shows a partial section of the internal combustion engine in stationary operation, where the beam deflecting bolt is withdrawn from the combustion chamber trough by the bimetal element which has become warm.

In Fig. 1 und soweit mit Fig. 2 übereinstimmend, ist im Kurbelgehäuse 1 eine Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet, in der ein Kolben 3 eine oszilierende Bewegung ausführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Kolben 3 in der oberen Totpunktlage. Im Kolbensteg ist eine Brennraummulde 4 vorgesehen, und eine Bohrung 5 mit abge­ setztem Durchmesser angebracht, die mit dem Brennraum 10 durch einen Gaskanal 9 verbunden ist und in die Brennraum­ mulde mit einer Öffnung 6 kleineren Durchmessers mündet. Darin sind der Ablenkbolzen und das Bimetallelement unter­ gebracht und die Bohrung ist von der Außenseite des Kol­ bens mit einem geeigneten Verschlußteil 13 dicht ver­ schlossen. Der Ablenkbolzen kann sich axial in die Bohrung hin und her bewegen und ragt im Anfangszustand bei still­ stehendem Motor in die Brennraummulde hinein. Aus einer Einspritzdüse 12 wird in die Brennraummulde 4 Kraftstoff eingespritzt, sich dort mit der komprimierten Ladung ver­ mischt und verbrannt. Bei Start- und Warmlaufphase befin­ det sich das Bimetallelement in seiner Ausgangsstellung und der Ablenkbolzen 7 befindet sich wie erwähnt in der Brennraummulde im Weg des Kraftstoffstrahls und lenkt so­ mit die darauf prallenden Teilchen weit von der noch kal­ ten Brennraumwand ab. Die Mischung der Kraftstoffteilchen mit der Ladung innerhalb des Brennraums findet weit weg von der Muldenwand statt und wird auf dem mittleren Raum der Brennraummulde verlegt. In Fig. 1 and as far as Fig. 2 coincides, a cylinder liner 2 is arranged in the crankcase 1 , in which a piston 3 performs an oscillating movement. In the illustrated embodiment, the piston 3 is in the top dead center position. In the piston land a combustion chamber trough 4 is provided, and a bore 5 with abge set diameter is attached, which is connected to the combustion chamber 10 through a gas channel 9 and opens into the combustion chamber trough with an opening 6 of smaller diameter. In it, the deflecting bolt and the bimetallic element are brought under and the bore is sealed from the outside of the piston with a suitable closure part 13 . The deflecting pin can move axially back and forth in the bore and in the initial state protrudes into the combustion chamber bowl when the engine is at a standstill. Fuel is injected into the combustion chamber trough 4 from an injection nozzle 12 , mixed there with the compressed charge and burned. At start-up and warm-up phase, the bimetallic element is in its starting position and the deflecting pin 7 is, as mentioned, in the combustion chamber trough in the path of the fuel jet and thus deflects the particles hitting it far from the still cold th combustion chamber wall. The mixing of the fuel particles with the charge within the combustion chamber takes place far away from the bowl wall and is laid on the middle chamber of the combustion chamber bowl.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt aus dem Kolben mit der Bohrung 5, wo der Motor seine Betriebstemperatur schon erreicht hat. Der Ablenkbolzen 7 ist durch das Bimetallelement so weit aus der Brennraummulde zurückgezogen und liegt mit seiner Stirnfläche glatt mit der Innenfläche der Brenn­ raummulde, so daß die Einspritzung und die Verbrennung nicht gestört wird. Fig. 2 shows a section of the piston with the bore 5 , where the engine has already reached its operating temperature. The deflection pin 7 is withdrawn by the bimetallic element so far from the combustion chamber trough and lies smooth with its end face with the inner surface of the combustion chamber trough, so that the injection and the combustion are not disturbed.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine ist somit dem kalten Zustand bei Start- und Warmlaufphase angepaßt ohne den vorwiegenden Anteil des stationären Betriebszustandes zu stören.The operation of the reciprocating piston combustion according to the invention The engine is thus cold when starting and Warm-up phase adjusted without the predominant part of the disturb steady operating condition.

Es ist selbstverständlich möglich, diese Erfindung bei an­ ders geformten Brennraummulden und Einspritzdüsenarten einzusetzen. Ferner können die Ansprechintervalle des Bi­ metallelementes den motorischen Bedingungen - Saug- oder Auflademotor, Kraftstoffart sowie Einsatz in extrem kalten Gebieten - angepaßt werden.It is of course possible to use this invention with other shaped troughs and fuel injector types. Be adapted - can Further, the Ansprechintervalle of Bi metal member to the engine conditions - suction or supercharged, fuel, and use in extremely cold regions.

Claims (8)

1. Luftverdichtende selbstzündende Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine mit im Kolben (3) angeordneter Brennraum­ mulde (4), in die der Brennstoff direkt eingespritzt wird, wobei im Kolben ein Ablenkbolzen (7) angeordnet ist, der in die Brennraummulde (4) hineinragt und in die Brenn­ stoffstrahlzone reicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkbolzen (7) in seiner Axialrichtung beweglich angeordnet ist, und bei Start- und Warmlaufphase des Motors in die Brennraummulde hineinragt, und bei stationärem Betrieb aus der Brennstoffstrahlzone zurückverlegt ist.1. Air-compressing self-igniting reciprocating internal combustion engine with a combustion chamber in the piston ( 3 ) trough ( 4 ) into which the fuel is injected directly, a piston pin ( 7 ) being arranged in the piston, which projects into the combustion chamber trough ( 4 ) and into the combustion Material jet zone is sufficient, characterized in that the deflecting pin ( 7 ) is arranged to be movable in its axial direction, and protrudes into the combustion chamber trough during the start and warm-up phase of the engine, and is moved back out of the fuel jet zone during stationary operation. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben (3) zumindest eine zylindrische Bohrung (5) mit abgesetztem Durchmesser ange­ ordnet ist, die in die Brennraummulde (4) mit einer Öff­ nung (6) kleineren Durchmessers als die der Bohrung (5) mündet, und deren Innenraum mit dem Brennraum (10) durch einen Gaskanal (9) verbunden ist.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that in the piston ( 3 ) is arranged at least one cylindrical bore ( 5 ) with a reduced diameter, which in the combustion chamber trough ( 4 ) with an opening ( 6 ) smaller diameter than that of the bore ( 5 ) opens, and the interior of which is connected to the combustion chamber ( 10 ) by a gas channel ( 9 ). 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Öffnung (6) der Boh­ rung (5) parallel zu ihrer Achse der Strahlablenkbolzen (7) mittels temperaturabhängigen Reglers (11) in die Brennraummulde (4) hinein oder heraus beweglich angeordnet ist.3. Internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that from the opening ( 6 ) of the Boh tion ( 5 ) parallel to its axis of the beam deflecting bolt ( 7 ) by means of temperature-dependent controller ( 11 ) in the combustion chamber trough ( 4 ) in or out is arranged. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (5) von der Außen­ seite des Kolbens mit einem Verschlußteil (13) dicht ver­ schlossen ist.4. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the bore ( 5 ) from the outside of the piston with a closure part ( 13 ) is tightly closed ver. 5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der Boh­ rung (5) des Ablenkbolzens (7) und die Abstimmung des tem­ peraturabhängigen Reglers (11) so angepaßt sind, daß der Ablenkbolzen (7) bei Start- und Warmlaufphase hinreichend weit in den Brennstoffstrahl hineinragt.5. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the dimensioning of the drilling ( 5 ) of the deflection bolt ( 7 ) and the tuning of the temperature-dependent controller ( 11 ) are adapted so that the deflection bolt ( 7 ) at start and Warm-up phase protrudes far enough into the fuel jet. 6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Regler (11) bei Erwärmung den Ablenkbolzen (7) aus der Brennraum­ mulde (4) zurückzieht.6. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature-dependent controller ( 11 ) retracts the deflection bolt ( 7 ) from the combustion chamber trough ( 4 ) when heated. 7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Regler (11) bei warmem Motor in seine Endstellung den Ablenkbol­ zen (7) so weit einzieht, daß dessen Stirnfläche mit der Oberfläche der Brennraummulde glatt abschließt.7. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature-dependent controller ( 11 ) with a warm engine in its end position the deflection bolt zen ( 7 ) so far that its end face is smooth with the surface of the combustion chamber trough. 8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (11) ein Bimetallelement ist.8. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature controller ( 11 ) is a bimetallic element.
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