DE4334533A1 - Gemischbildungs- und Brennverfahren für eine Dieselbrennkraftmaschine und Dieselbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gemischbildungs- und Brennverfahren für eine Diesel­ brennkraftmaschine und eine Dieselbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.

Dieselmotoren haben gegenüber Ottomotoren u. a. den Vorteil des niedrigen Kraftstoffverbrauchs, insbesondere bei Teillast. Ihnen haftet jedoch gegenüber modernen Ottomotoren mit Dreiwegkatalysatoren der prinzipbedingte Nachteil an, daß sie eine erhöhte Partikel- bzw. Ruß- und Stickoxidemission aufweisen. Außerdem verursachen Dieselmotoren ein höheres Geräusch. Die Rußemission ist eine Folge des durch die heterogene Gemischbildung bedingten lokalen Luft­ mangels bei der Verbrennung, der u. a. durch den beim Dieselmotor üblichen Luftüberschuß bekämpft wird. Dieser hat einen Restsauerstoffgehalt im Abgas zur Folge, der eine Beseitigung des bei der Verbrennung entstehenden Stickoxids mittels eines Dreiwegkatalysators ausschließt. Das dieselmotorische Geräusch ist eine Folge des vorgemischten Kraftstoffanteils, der spontan zündet und "klopfend" verbrennt. Hinzu kommt das insbesondere bei Hochdruckeinspritzung ausgeprägte Geräusch der Einspritzanlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dieselmotorisches Brennverfahren zu schaffen, das unter Beibehaltung des niedrigen Kraftstoffverbrauchs die Ruß- und Stickoxidemission sowie die Geräuschemission des Dieselmotors entschei­ dend vermindert. Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Durch die Abtrennung und Abkühlung eines Teils der komprimierten Luft ist die Voraussetzung für eine Vormischung derselben mit Kraftstoff gegeben. Durch das Abkühlen der Luft wird auch bei längerer Verweildauer des Kraftstoffs in dersel­ ben ein Cracken oder gar ein Entzünden des Kraftstoffs vermieden. Auf diese Weise kann ein homogenes Kraftstoffdampf-Luftgemisch gebildet werden, das Voraussetzung für eine rußfreie Verbrennung ist. Durch die relativ niedrige Temperatur des Kraftstoff-Luftgemisches wird die Stickoxidbildung weitgehend unterbunden. Diese im Vergleich zur Ladeluftkühlung ungleich wirksamere La­ dungskühlung im Kompressionsraum beeinträchtigt jedoch die Zündsicherheit nicht.

Die Zündung geschieht erfindungsgemäß mittels dieselmotorischer Kom­ pressionszündung. Im Gegensatz zum konventionellen Dieselmotor wird jedoch nur ein kleiner Teil des Kraftstoff-Luftgemisches durch Mischen mit heißer Kom­ pressionsluft erhitzt. Damit ist einerseits die dieselmotorische Zündsicherheit ge­ währleistet andererseits ein Cracken des Kraftstoffs und eine dadurch bedingte Rußbildung vermieden. Da im Gegensatz zum konventionellen Dieselmotor keine spontane Zündung einer größeren Gemischmenge und der damit verbundenen Drucksteigerung und Geräuschentwicklung eintritt, sondern eher eine Fremdzün­ dung, entwickelt sich ein ottomotorisch sanfter Druckverlauf.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der die abgekühlte Luft eine Temperatur unterhalb der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes auf­ weist, wird ein Kraftstoff-Luftgemisch gebildete das sich nicht von selbst entzün­ det, sondern eine hohe, temperaturbedingte Klopffestigkeit aufweist.

Es ist von Vorteil, daß der eingespritzte Kraftstoff mit der abgekühlten Luft ein fettes Gemisch bildet, dessen Luftüberschußzahl Lambda vorzugsweise den Wert 0,6 bis 0,9 aufweist. In diesem Lambdabereich tritt bei homogenem Gemisch noch keine Rußbildung auf, der extreme Luftmangel bewirkt jedoch zusammen mit der niedrigen Gemischtemperatur eine extrem niedrige Stickoxidbildung. Damit ist, anders als beim klassischen Dieselmotor, eine gleichzeitige Minimierung von Ruß- und Stickoxidemission verwirklicht. Das entstandene Kohlenmonoxid ver­ brennt anschließend durch Mischen mit heißer Kompressionsluft.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der der Kontakt zwischen dem kühlen, fetten Gemisch und der heißen Luft zu einer lokalen Entzündung des Gemisches führt und die Verbrennung vom Entzündungsort ausgehend, kon­ trolliert fortschreitet, ist der Verbrennungsablauf trotz einer Vormischung des ge­ samten Kraftstoffs dem des Ottomotors vergleichbar, da sich die Verbrennung, ausgehend vom Zündort, in Art einer Flammenfront durch das kühle und dadurch klopffeste Gemisch ausbreitet. Der daraus sich ergebende, eher sanfte Druckver­ lauf, bewirkt ein geringes Verbrennungsgeräusch.

Das erfindungsgemäße Gemischbildungs- und Brennverfahren wird in einer Die­ selbrennkraftmaschine verwirklicht, bei der der Kompressionsraum einen zylin­ derkopfseitigen Teilkompressionsraum und einen kolbenseitigen Teilkom­ pressionsraum aufweist, die in Strömungsverbindung stehen, wobei im zylinder­ kopfseitigen Teilkompressionsraum ein verschiebbarer, dichtend geführter, vor­ zugsweise zylindrischer Verdrängerkolben angeordnet ist, der den zylinderkopf­ seitigen Teilkompressionsraum in einen heißen Brennraum und einen kalten Luftspeicher unterteilt, wobei der Luftspeicher und der Brennraum über eine ge­ kühlte Verbindungsleitung in Strömungsverbindung stehen, in deren Bereich ein Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist. Der entscheidende Gedanke zur Verwirkli­ chung des erfindungsgemäßen Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren liegt in der Anwendung von Elementen des Stirlingmotors im klassischen Diesel­ motor zur Verwirklichung einer ottomotorischen Verbrennung. Dadurch wird eine Gemischeinblasung ermöglicht, durch die Schadstoff- und Geräuschemissionsvorteile erzielt werden, wie sie von früheren lufteinblasenden Dieselmotoren bekannt sind. Während jene jedoch einen teueren raum-, gewicht- und leistungsbeanspruchenden Hochdruckkompressor benötigten, wird erfin­ dungsgemäß der zur Gemischeinblasung erforderliche Druck, ausgehend vom Kompressionsdruck, im Zylinder selbst erzeugt. Der dazu erforderliche Ver­ drängerkolben teilt den zylinderkopfseitigen Kompressionsraum in einen kühlen Luftspeicher und einen heißen Brennraum und gestattet so das Abtrennen und Abkühlen der für die Gemischbildung erforderlichen Luftmenge im Kom­ pressionsraum. Die erforderliche Verbindungsleitung zwischen dem kalten Luft­ speicher und dem heißen Brennraum weist aufgrund des kleinen Volumens der hochverdichteten Luft und deren geringer Temperatur sowie wegen fehlender Ventile einen kleinen Querschnitt und damit ein kleines Totvolumen auf. Sie dient aufgrund ihrer intensiven Kühlung und den in ihr herrschenden Strömungsver­ hältnissen zum Kühlen der Verbrennungsluft. Außerdem finden dort die Kraft­ stoffeinspritzung und zumindest teilweise die Gemischbildung statt. Um die zur Überwindung des Strömungswiderstandes und zur Gemischeinblasung erforder­ liche Druckdifferenz zu erzielen, ist der Verdrängerkolben dichtend geführt. Aus Fertigungsgründen ist er zylindrisch ausgebildet. Die erfindungsgemäße An­ ordnung eines zylinderkopfseitigen und eines kolbenseitigen Kompressionsrau­ mes bietet den Vorteil, daß nur ein Teil der Kompressionsluft in den Zylinderkopf und damit in den Luftspeicher übergeschoben werden muß. Dadurch werden in­ terne Strömungs- und Wärmeverluste minimiert. Außerdem läßt sich der stickoxidmindernde Effekt des Zweistufenbrennverfahrens nutzen, bei dem im zylinderkopfseitigen Kompressionsraum das fette Kraftstoff-Luftgemisch unter Luftmangel teilverbrannt wird, während die Verbrennung des in den kolbenseiti­ gen Kompressionsraum strömenden, teilverbrannten Kraftstoffes bei mäßiger Temperatur ihren Abschluß findet.

Es ist vorteilhaft, daß der Verdrängerkolben zwischen einem luftspeicherseitigen und einem brennraumseitigen Totpunkt gesteuert verschiebbar angeordnet ist. Auf diese Weise läßt sich eine funktions- und zeitgerechte Steuerung der Bewe­ gung des Verdrängerkolbens erreichen, wie sie zur Verwirklichung des erfin­ dungsgemäßen Gemischbildungs- und Brennverfahrens erforderlich ist. Außer­ dem erübrigen sich auf diese Weise Steuerventile in der Verbindungsleitung, was zu deren geringem Totvolumen und zu einem einfachen Aufbau der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung beiträgt.

Es ist vorteilhaft, daß für ein Verfahren zum Betreiben der Dieselbrennkraftma­ schine der Verdrängerkolben sich beim Expansions-, Ausschub- und Ansaugtakt bis in den darauffolgenden Kompressionstakt in seiner luftspeicherseitigen Tot­ punktlage befindet, und daß er vorzugsweise in der zweiten Hälfte des Kom­ pressionshubes von seinem luftspeicherseitigen zu seinem brennraumseitigen Totpunkt und unmittelbar danach im Bereich des Kompressionstotpunktes von seinem brennraumseitigen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt verschoben wird. Auf diese Weise wird vor dem Kompressionstotpunkt die komprimierte, heiße Verbrennungsluft vom Brennraum über die gekühlte Verbindungsleitung in den kalten Luftspeicher verschoben und unmittelbar darauf von dort wiederum durch die gekühlte Verbindungsleitung zurück in den Brennraum. Dabei führt das zweifache Durchströmen der gekühlten Verbindungsleitung zu einer intensiven Abkühlung der Verbrennungsluft und damit zur erwünschten Klopffestigkeit des Gemisches und zur Minimierung der Stickoxidemission durch Absenken der Ver­ brennungstemperatur.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß während der Bewegung des Verdrängerkolbens von seinem brennraumseitigen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt Kraftstoff in die Verbindungsleitung eingespritzt wird, wobei die Kraftstoffeinspritzung ge­ genüber dieser Bewegung des Verdrängerkolbens vorzugsweise früher beginnt und früher endet. Auf diese Weise wird schon während des Überströmens der Verbrennungsluft in den Luftspeicher Kraftstoff in die Verbindungsleitung einge­ spritzt, so daß eine relativ lange Zeit zu seiner Verdampfung zur Verfügung steht. Insbesondere bei hoher Last dauert auch während der Einblasung der Ver­ brennungsluft in den Brennraum die Kraftstoffeinspritzung in die Verbindungslei­ tung an: Durch das gegenüber der Lufteinblasung frühere Beenden der Kraft­ stoffeinspritzung ist sichergestellt, daß die Verbindungsleitung nach Beendigung der Kraftstoffeinspritzung mit Luft gespült ist. Dadurch wird eine Ausbreitung der Verbrennung in die Verbindungsleitung hinein oder das Verbleiben eines unver­ brannten Gemischrestes in derselben vermieden.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Verdrängerkol­ ben als dünnwandiger, gasdichter und druckfester Hohlkolben mit einem luftspei­ cherseitigen Boden, einem brennraumseitigen Boden und einem Hemd ausgebil­ det ist, wobei der luftspeicherseitige Boden eben und vorzugsweise einstückig mit einem zum Verdrängerkolben koaxial angeordneten, im Zylinderkopf dichtend geführten Führungsschaft ausgebildet ist, wird ein leichter und nur im Zylinder­ kopf außerhalb des zylinderkopfseitigen Kompressionsraumes geführter Ver­ drängerkolben geschaffen. Das geringe Gewicht des Verdrängerkolbens ist Voraussetzung für die erforderliche Beweglichkeit desselben, seine exakte Füh­ rung außerhalb des zylinderkopfseitigen Kompressionsraumes mittels Führungs­ schaftes ist Voraussetzung für ein geringes radiales Spiel und damit für einen schmieröllosen Lauf des Verdrängerkolbens ähnlich wie bei Stirlingmotoren. Die vorzugsweise durch eine Kunststoffdichtung im Bereich des Luftspeichers erfolgte Abdichtung des Führungsschaftes verhindert ein Austreten der Kompressionsluft entlang der Führung des Führungsschaftes und, umgekehrt, ein Eindringen von Schmieröl in den Luftspeicher.

Es ist vorteilhaft, daß der brennraumseitige Boden des Verdrängerkolbens vor­ zugsweise gewölbt ausgebildet ist, aus warmfestem Werkstoff besteht und vor­ zugsweise mit wärmedämmendem Material beschichtet ist. Auf diese Weise ist die Festigkeit des stark erhitzten brennraumseitigen Bodens gewährleistet. Dies kann sowohl durch konvexe wie konkave Wölbung desselben realisiert werden. Die wärmedämmende Beschichtung senkt die Temperaturbelastung des brenn­ raumseitigen Bodens des Verdrängerkolbens und drosselt den Wärmefluß zum kalten, luftspeicherseitigen Ende desselben.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der am luftspeicherseitigen Ende des Hemdes des Verdrängerkolbens eine Dichtung angeordnet ist, wird er­ reicht, daß die zum Einblasen des Gemisches erforderliche Druckdifferenz zwischen Luftspeicher und Brennraum realisierbar ist. Diese Druckdifferenz kann gering sein, da der Kraftstoff nicht nur pneumatisch durch Einblasen, sondern auch hydraulisch durch eine konventionelle Einspritzvorrichtung zerstäubt wird. Da zur Gemischbildung, verglichen mit dem konventionellen Dieselmotor, eine größere Zeit zur Verfügung steht, kann auf feinste Kraftstoffzerstäubung mittels Hochdruckeinspritzung verzichtet werden. Auf diese Weise kann die Einspritzung z. B. mittels einer Verteilereinspritzpumpe verwirklicht werden, die u. a. den Vor­ teil einer einfachen last- und drehzahlabhängigen Einspritzzeitverstellung auf­ weist. Ihr Einspritzgeräusch ist gering, da der Einspritzdruck relativ niedrig sein kann.

Es ist vorteilhaft, daß die Dichtung am luftspeicherseitigen Ende des Verdränger­ kolbens trockenlaufend und vorzugsweise aus selbstschmierendem Kunststoff ausgebildet ist. Auf diese Weise erübrigt sich, ähnlich wie beim Stirlingmotor, eine Schmierung des Verdrängerkolbens, was den Aufbau des erfindungsgemäßen Dieselmotors vereinfacht und Ölemissionsprobleme vermeidet. Die Kunst­ stoffdichtung ist aufgrund ihrer Lage am kühlen, luftspeicherseitigen Ende des Verdrängerkolbens nur geringen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Zudem be­ findet sich der Verdrängerkolben während des überwiegenden Teils des Arbeits­ zyklus in seiner luftspeicherseitigen Totpunktlage und damit seine Kunststoff­ dichtung im Bereich des kühlen Luftspeichers.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der der Luftspeicher einen ebenen, intensiv gekühlten Boden aufweist, an dem der ebene Boden des Ver­ drängerkolbens in seiner luftspeicherseitigen Totpunktlage fest anliegt, wird er­ reicht, daß auch der ebene Boden des Verdrängerkolbens und mit ihm die in sei­ ner Nähe befindliche Dichtung ebenfalls intensiv gekühlt werden. Außerdem wird durch das feste Anliegen des Verdrängerkolbens ein Totraum im Luftspeicher vermieden und zudem die Abdichtung des Führungsschaftes entlastet und unter­ stützt.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung bei der zur Steuerung der Ver­ schiebung des Verdrängerkolbens eine vorzugsweise obenliegende Nockenwelle mit einem Nocken vorgesehen ist, wird erreicht, daß die Steuerung der Bewegung des Verdrängerkolbens exakt und mit konventionellen Mitteln erfolgt. Die obenlie­ gende Nockenwelle, wie sie vor allem bei schnellaufenden Dieselmotoren üblich ist, bietet den Vorteil geringstmöglicher bewegter Massen und damit größtmögli­ cher Motordrehzahl.

Es ist vorteilhaft, daß zur Steuerung der Bewegung des Verdrängerkolbens vom brennraumseitigen zu dessen luftspeicherseitigen Totpunkt vorzugsweise ein Tangentialteil des Nockens vorgesehen ist, der einen Nockenkreis berührt, dessen Durchmesser kleiner als der des Nockengrundkreises ist. Auf diese Weise wird die zur raschen Gemischeinblasung erforderliche Nockenform realisiert, da die gewünschte Steilheit des Tangentialteils nicht mehr durch die Bedingung be­ grenzt ist, daß der Tangentialteil des Nockens den Nockengrundkreis tangieren muß.

Es ist von Vorteil, daß ein vorzugsweise einarmiger Steuerhebel vorgesehen ist, der von dem Nocken vorzugsweise über eine im Mittelbereich des Steuerhebels angeordnete Rolle angetrieben ist und mit dem freien Ende des Führungsschaftes und mit einem Steuerhebellager in druck- und zugkraftübertragender Wirk­ verbindung steht. Mit Hilfe des einarmigen Steuerhebels kann unter Verwendung eines Nockens mit üblicher Hubhöhe der gewünschte Hub des Verdrängerkol­ bens realisiert werden. Der Hub des Verdrängerkolbens ergibt sich zum einen aus der Forderung, die Luftmenge für ein Kraftstoff-Luftgemisch mit einem Lambda von mindestens 0,6 zu fördern und zum andern aus einem Hub-Boh­ rungsverhältnis des Verdrängerkolbens von vorzugsweise eins. Durch Verwen­ dung einer Rolle zur Übertragung der Nockenkräfte ist die Baubreite des Nockens gering, so daß derselbe zwischen dem Ein- und Auslaßnocken eines Zylinders untergebracht werden kann.

Bei seiner Bewegung vom luftspeicherseitigen zum brennraumseitigen Totpunkt wird der Verdrängerkolben über den Steuerhebel vom Nocken der Nockenwelle angetrieben. Dabei stehen der Steuerhebel mit dem Nocken, dem Steuerhebel­ lager und dem freien Ende des Führungsschaftes in druckkraftübertragender Wirkverbindung. Der Antrieb des Nockens überwindet in diesem Fall nicht nur die Massenträgheit der bewegten Teile, sondern auch den Gegendruck des Kompressionsraumes. Dieser Gegendruck wirkt als Luftfeder und ersetzt eine sonst notwendige, mechanische Feder. Bei der Bewegung von seinem brenn­ raumseitigen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt wird der Verdrängerkolben durch den Zylinderdruck angetrieben, der auf die Fläche des Führungsschaftes wirkt. Während dieses Weges ist die Rolle durch den Tangentialteil des Nockens geführt.

Es ist vorteilhaft, daß in luftspeicherseitiger Totpunktlage zwischen der Rolle und dem Nocken Spiel vorgesehen ist. In dieser Totpunktlage stützt sich der Ver­ drängerkolben deshalb nicht über den Steuerhebel auf den Nocken ab, sondern liegt mit seinem luftspeicherseitigen Boden unmittelbar auf dem ebenen Boden des Luftspeichers auf. Um dabei eine unkontrollierte Bewegung des Steuerhebels zu vermeiden, steht derselbe mit dem freien Ende des Führungsschaftes und mit dem Steuerhebellager auch in zugkraftübertragender Wirkverbindung.

Es ist von Vorteil, daß das luftspeicherseitige Ende der Verbindungsleitung radial und bündig in den Luftspeicher mündend und dessen ebenen Boden vorzugs­ weise tangierend angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Querschnitt des luftspeicherseitigen Endes der Verbindungsleitung durch den Verdrängerkolben am luftspeicherseitigen Totpunkt bis auf Null vermindert. Der sich daraus erge­ bende Drosseleffekt hat bei Annäherung des Verdrängerkolbens an seinen luftspeicherseitigen Totpunkt ein Ansteigen des Luftdrucks im Luftspeicher zur Folge, wodurch der Verdrängerkolben auf dem ebenen Boden des Luftspeichers sanft aufsetzt. Bis zu diesem Bremsvorgang unterliegt der Verdrängerkolben einer beschleunigten Bewegung durch den auf dem Führungsschaft wirkenden Gasdruck. Auf diese Weise wird die Einblasgeschwindigkeit bis zum Ende des Einblasvorganges beschleunigt und damit auch die Turbulenz und die von ihr ab­ hängige Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum. Dieser Effekt ist er­ wünscht, da er einen sanften Brennbeginn über eine sich steigernde Brennge­ schwindigkeit zu einem raschen, wirkungsgradgünstigen Brennende führt und trotzdem einen steilen Druckanstieg vermeidet.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der das brennraumseitige Ende der Verbindungsleitung entweder tangential oder radial oder als fächer­ förmig ausgebildete Mehrfachöffnung unterhalb des brennraumseitigen Tot­ punktes des Verdrängerkolbens in den Brennraum mündend oder hineinragend angeordnet ist, wird eine drallbehaftete oder drallfreie Verteilung des in den Brennraum einströmenden Gemisches erzielt. Das Hereinragen des brennraum­ seitigen Endes der Verbindungsleitung bewirkt einen Anschlag für den Ver­ drängerkolben, falls dieser sich bei stehendem Motor über dem brennraumseiti­ gen Totpunkt hinaus in den Brennraum hineinbewegen sollte. Der gleiche Effekt läßt sich auch durch Anlage des Steuerhebels an einem Anschlag des Zylinder­ kopfes erreichen.

Vorteilhaft ist, daß auf der Innenseite eines geradlinigen Teils der Verbindungs­ leitung oberflächenvergrößernde und turbulenzerzeugende Mittel angeordnet sind. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang zwischen der Kompressionsluft und den gekühlten Wänden der Verbindungsleitung verbessert und die Ver­ dampfung des dort möglicher Weise angelagerten Kraftstoffes intensiviert. Als einfache Maßnahme dieser Art kommen zwei gegenläufig geschnittene Gewinde in der Verbindungsleitung in Frage. Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Er­ findung, bei der das Kraftstoffeinspritzventil vorzugsweise vom luftspeicherseitigen Ende der Verbindungsleitung in Richtung des geradlinigen Teils desselben spritzend angeordnet ist, wird eine teilweise Gegenstromeinspritzung des Kraft­ stoffes erzielt, die die Gemischbildung intensiviert. Dabei weist das Kraftstoffein­ spritzventil vorzugsweise nur eine Düsenbohrung auf und kann auf diese Weise mit einer querschnittssteuernden Zapfendüse oder mit einer lecköllosen Düse ausgerüstet werden. Auf diese Weise können Einspritzverlauf und Strahlstruktur vielfältig variiert und den Erfordernissen eines homogenen Gemisches angepaßt werden.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der die Achse des zylinder­ kopfseitigen Teilkompressionsraums vorzugsweise parallel zur Zylinderachse an­ geordnet ist, wird erreicht, daß die Betätigung des Verdrängerkolbens in gleicher Weise wie die der Gaswechselventile erfolgt. Sind zwei Gaswechselventile pro Zylinder vorhanden, ist eine aus der Zylinderachse versetzte Lage des zylinder­ kopfseitigen Kompressionsraumes vorteilhaft, ähnlich einer gängigen Wirbel­ kammer.

Es ist aber auch vorteilhaft, wenn der zylinderkopfseitige Teilkompressionsraum in der Zylinderachse angeordnet ist. Diese Anordnung bietet sich vor allem bei Vierventilzylinderköpfen an. In diesem Fall ist die Verteilung des brennenden fetten Gemisches auf den kolbenseitigen Kompressionsraum besonders einfach und effektiv.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der kolbenseitige Teilkompressionsraum vorzugsweise in weitgehend ungedrosselter Strömungs­ verbindung mit dem Brennraum steht, wird erreicht, daß die Strömungs- und Wärmeverluste im Brennraum gering gehalten werden. Dies ist um so eher mög­ lich, da im Gegensatz zur klassischen Vor- oder Wirbelkammer aus dem erfin­ dungsgemäßen Brennraum nur gasförmige Substanzen austreten, die sich ohne hohen Energieaufwand mit der Luft des kolbenseitigen Kompressionsraumes mischen. Es kann von Vorteil sein, einen am Kolben befestigten Steuerzapfen vorzusehen, der den Übertrittsquerschnitt zwischen Brennraum und kolbenseiti­ gem Kompressionsraum steuert. Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor und der Zeichnung, in der ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.

Die Figur zeigt:

Einen Querschnitt durch einen zweiventiligen Zylinderkopf mit dem erfindungsgemäßen Verdrängerkolben.

Die Figur zeigt eine Zylindereinheit 1 mit einem Zylinderrohr 2, in dem ein Kolben 3 dichtend geführt ist und das von einem Zylinderkopf 4 gasdicht abgeschlossen ist. Im kolbenfernen Teil des Zylinderkopfes 4 ist eine Nockenwelle 18 gelagert, die u. a. zum Antrieb der gestrichelt angedeuteten Gaswechselventile 27 dient. Zylinderrohr 2, Kolben 3 und Zylinderkopf 4 begrenzen einen Kompressionsraum, der in einen zylinderkopfseitigen Kompressionsraum 5a und einen kolbenseitigen Kompressionsraum 5b aufgeteilt ist. Beide Kompressionsräume stehen über eine Öffnung 28 in Strömungsverbindung.

Der zylinderkopfseitige Kompressionsraum weist eine zylinderförmige Gestalt mit einem ebenen Boden 8 auf. In ihm ist ein Verdrängerkolben 9 verschiebbar ange­ ordnet, der den zylinderkopfseitigen Kompressionsraum 5a in einen Brennraum 6 und einen Luftspeicher 10 unterteilt. Der Verdrängerkolben 9 ist als geschlosse­ ner Hohlkolben mit einem ebenen Boden 8 auf der Luftspeicherseite, einem kon­ kav gekrümmten brennraumseitigen Boden 13 und einem beide Böden verbin­ denden Hemd 14 ausgebildet. Am luftspeicherseitigen Ende des Hemdes 14 ist eine Dichtnut 17 mit einer trockenlaufenden Dichtung 16 aus Kunststoff (z. B. Teflon) angeordnet. Der luftspeicherseitige Boden 12 ist einstückig mit einem zum Verdrängerkolben 9 koaxial angeordneten Führungsschaft 15 ausgebildet, der im Zylinderkopf 4 dichtend geführt ist und gegenüber dem Luftspeicher 10 durch eine Runddichtung 29 am luftspeicherseitigen Ende des Führungsschaftes 15 abgedichtet ist.

Der Führungsschaft 15 steht an seinem luftspeicherfernen Ende mit einem Steuerhebel 19 über einen Gleitstein 10 in druck- und zugkraftübertragender Wirkverbindung.

Der Steuerhebel 19 stützt sich über ein druck- und zugkraftübertragendes Steuer­ hebellager 23 auf den Zylinderkopf 4 ab. Er weist eine in ihm gelagerte Rolle 25 auf, die zeitweise in druckkraftübertragender Wirkverbindung mit der Nockenwelle 18 steht. Brennraum 6 und Luftspeicher 10 stehen über eine Verbindungsleitung 11 in Strömungsverbindung. Die Verbindungsleitung 11 weist einen geradlinigen Teil 11 a auf, der parallel zur Achse des Brennraums 6 angeordnet ist, und dessen Innenseite durch zwei gegenläufig geschnittene Gewinde oberflächenvergrößert ist. Das luftspeicherseitige Ende 20 der Verbindungsleitung 11 mündet bündig und radial in den Luftspeicher 10 und tangiert dessen ebenen Boden 8. Das brennraumseitige Ende der Verbindungsleitung mündet ebenfalls bündig und radial in den Brennraum 6, und zwar unterhalb des unteren Totpunktes des Ver­ drängerkolbens 9.

Im Bereich des luftspeicherseitigen Endes 20 der Verbindungsleitung 11 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 7 angeordnet, das in Richtung des geradlinigen Teils 11a der Verbindungsleitung 11 mittels einer Einlochdüse 7a spritzt. Das Kraftstoffein­ spritzventil 7 ist mittels einer Pratze 31 am Zylinderkopf 4 befestigt und steht über einen Druckanschluß 32 mit einer nicht dargestellten Einspritzleitung und Ein­ spritzpumpe in Strömungsverbindung.

Der Zylinderkopf 4, der durch einen Steuerungsdeckel 26 abgedeckt ist, besteht aus Leichtmetall, während der Verdrängerkolben 9 mit seinem Führungsschaft 15 und dem Steuerhebel 19 aus rostfreiem Stahl gefertigt sind. Der luftspeicherseiti­ ge Kompressionsraum 5a, der gegenüber der Zylinderachse exzentrisch an­ geordnet ist, ist an seinem luftspeicherseitigen Ende vom Kühlwasser intensiv ge­ kühlt. Dasselbe gilt für die Verbindungsleitung 11 die im Leichtmetall des Zylin­ derkopfes angeordnet ist.

Der Nocken 21 der Nockenwelle 18 weist eine ruckfreie Flanke 33 auf, die in ein Tangentialteil 24 übergeht. Diese tangiert einen zur Nockenwellenachse konzen­ trischen Kreis, dessen Durchmesser kleiner als der Grundkreis der Nockenwelle ist.

Die erfindungsgemäße Dieselbrennkraftmaschine funktioniert folgendermaßen

Während des Ansaughubes wird die Verbrennungsluft drallfrei durch ein Einlaß­ ventil angesaugt und im darauffolgenden Kompressionshub verdichtet, so daß Druck und Temperatur der Verbrennungsluft im kolbenseitigen und zylinderkopf­ seitigen Kompressionsraum 5a, 5b ansteigen. Dabei liegt der Verdrängerkolben 9 am ebenen Boden 8 des Luftspeichers 10 fest an, da zwischen Rolle 25 und Nocken 21 ein geringfügiges Spiel besteht. In der zweiten Hälfte der Kompression wird der Verdrängerkolben 9 durch die ruckfreie Flanke 33 des Nockens 21 von seinem luftspeicherseitigen zu seinem brennraumseitigen Totpunkt verschoben.

Dadurch wird heiße Luft aus dem Brennraum 6 über die intensiv gekühlte Verbindungsleitung 11 in den kalten Luftspeicher 10 verdrängt. Gegen Ende dieser Ver­ drängungsbewegung und kurz vor dem Kompressionstotpunkt beginnt die Kraft­ stoffeinspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 7 in den geradlinigen Teil 11 a der Verbindungsleitung 11. Ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes gelangt auf die innere Oberfläche des geradlinigen Teils 11 a der Verbindungsleitung, ein an­ derer Teil gelangt mit der Verdrängerströmung in den Luftspeicher 10. Da die Luft innerhalb der Verbindungsleitung 11 und im Luftspeicher eine Temperatur unter­ halb der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes aufweist, kommt es zu keiner Zündung, sondern lediglich zu einem Verdampfen desselben.

Unmittelbar nach Erreichen des brennraumseitigen Totpunktes des Verdränger­ kolbens 9 bewegt sich dieser, angetrieben durch den auf dem Querschnitt des Führungsschaftes 15 wirkenden Zylinderdruck und gesteuert durch den Tangen­ tialteil 24 des Nockens 21, vom brennraumseitigen Totpunkt zum luftspeicherseitigen Totpunkt. Diese Bewegung weist bedingt durch die Form des Nockens 21 im Bereich seines Tangentialteils 24 eine steigende Geschwindigkeit auf, die erst kurz vor Erreichen des luftspeicherseitigen Totpunktes pneumatisch abgebremst wird. Die Abbremsung erfolgt durch eine Drosselung der aus dem Luftspeicher 10 abströmenden Verbrennungsluft in dem den ebenen Boden 8 des Luftspeichers 10 tangierenden Ende 20 der Verbindungsleitung 11. Da der Steuerhebel 19 sowohl mit dem freien Ende des Führungsschaftes 15 als auch mit dem Steuerhebellager 23 in druck- und zugkraftübertragender Wirkverbindung steht, wird beim Abbremsen des Verdrängerkolbens 9 auch der Steuerhebel 19 abge­ bremst. Aufgrund des Spieles zwischen der Rolle 25 und dem Grundkreis des Nockens 21 ist eine feste Anlage des luftspeicherseitigen Bodens 12 am ebenen Boden 8 des Luftspeichers 10 gewährleistet.

Durch die Bewegung des Verdrängerkolbens von seinem brennraumseitigen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt wird die abgekühlte Verbrennungsluft mit dem verdampfenden Kraftstoff durch die Verbindungsleitung 11 über deren brenn­ raumseitiges Ende 22 in die heiße Luft des Brennraums 6 eingeblasen. Das fette, kühle Gemisch kommt auf diese Weise mit der heißen Luft des Brennraums in Berührung und wird an derselben entzündet. Ausgehend vom Entzündungsort breitet sich die Verbrennung durch das kühle, fette Gemisch aus, ohne daß die­ ses zur Selbstzündung kommt, wodurch die Verbrennung ottomotorisch sanft und somit geräuscharm abläuft. Dabei sind Einblasgeschwindigkeit und Flammenaus­ breitungsgeschwindigkeit vergleichbar, so daß es zu keiner Verbrennung in der Verbindungsleitung 11 kommt. Außerdem bewirkt die niedrige Temperatur des Kraftstoffluftgemisches, daß die Stickoxidbildung minimiert wird. In die gleiche Richtung wirkt auch der Luftmangel des fetten Gemisches. Durch dessen Vorho­ mogenisierung wird eine Rußbildung bei der Verbrennung vermieden. Das ent­ stehende CO und eventuell vorhandene HC-Reste werden in der zweiten Phase der Verbrennung durch Mischen mit der im Kolbenkompressionsraum befind­ lichen heißen Verbrennungsluft verbrannt.

Durch das Einströmen des Gemisches in den Brennraum 6 wird zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort eine hohe Gemischbildungsenergie erzeugt, die zum Ende der Gemischeinblasung ansteigt, was einen thermodynamisch optima­ len Brennverlauf zur Folge hat. Dabei wird im Gegensatz zu den Kammermaschi­ nen die Einblasenergie rein mechanisch erzeugt, wodurch die thermische Be­ lastung und der Kraftstoffverbrauch niedrig bleiben. Da die Kraftstoffeinspritzung erfindungsgemäß vor Ende der Bewegung des Verdrängerkolbens abgeschlossen ist, wird die Verbindungsleitung 11 am Ende der Einblasung mit Luft gespült. Dadurch wird ein Zurückschlagen der Verbrennung in dieselbe vermieden. Die dort nicht genutzte Zuft wird durch die bessere Ausnutzung der übrigen Verbrennungsluft kompensiert, die durch fehlende Rußbildung ermöglicht wird. Der brennraumseitige Boden 13 des Verdrängerkolbens 9 weist hohe Temperatur auf. Diese nimmt jedoch durch dessen Wärmeisolierung und durch die geringe Wandstärke des Hemdes 14 zum gekühlten luftspeicherseitigen Ende des Ver­ drängerkolbens hin rasch ab. Dieses ist gut gekühlt, da der luftspeicherseitige Boden 12 während des größten Teils des Arbeitsspiels am intensiv gekühlten, ebenen Boden 8 des Luftspeichers anliegt.

Da der Verdrängerkolben 9 durch seinen Führungsschaft 15 geführt ist, kann eine Führung des Hemdes 14 im zylinderkopfseitigen Kompressionsraum 5a entfal­ len. Da außerdem die Dichtung 16 aus selbstschmierendem Kunststoff wie z. B. Teflon besteht, erübrigt sich eine Ölschmierung des Verdrängerkolbens 9. Der Führungsschaft 15 ist ölgeschmiert. Er ist durch eine im Zylinderkopf 4 befindli­ che Runddichtung 29 aus Teflon gegen Ölaustritt und Druckgaseintritt gesichert.

Der Gleitstein 30 bewirkt einen Ausgleich zwischen der geradlinigen Bewegung des Führungsschaftes 15 und der kreisbogenförmigen Bewegung des Steuerhe­ bels 19.

Aufgrund des fehlenden Ansaugluftdralls und der fehlenden Drosselung zwischen dem zylinderkopfseitigen und kolbenseitigen Kompressionsraum, sind die inter­ nen Strömungs- und Wärmeverluste während des gesamten Viertaktzyklus gering. Auf der anderen Seite ist durch die während der Verbrennung ansteigende Gemischbildungsenergie und das Fehlen von langsam reagierenden Crackprodukten eine hohe, zum Ende der Verbrennung hin ansteigende Ver­ brennungsgeschwindigkeit gewährleistet, die einen niedrigen Kraftstoffverbrauch sicherstellt, ohne einen harten Gang zu verursachen.

Die erfindungsgemäße Dieselbrennkraftmaschine verbindet demnach niedrigen Kraftstoffverbrauch mit niedriger Schadstoff- und Geräuschemission. Dabei sind Ruß- und Stickoxidemission zugleich minimiert. Da zur Gemischbildung relativ große Zeiten verfügbar sind, ist eine Hochdruckeinspritzung nicht erforderlich. Dadurch ist die kosten- und geräuschgünstige und bezüglich Einspritzzeitpunkt sehr variable Verteilereinspritzpumpe anwendbar.

Claims (25)

1. Gemischbildungs- und Brennverfahren für eine Dieselbrennkraftmaschine, die mindestens eine Zylindereinheit (1) mit einer Zylinderbuchse (2) und einem darin dichtend geführten Kolben (3) sowie einen die Zylinderbuchse (2) abschlie­ ßenden Zylinderkopf (4) aufweist, wobei die Zylinderbuchse (2), der Kolben (3) und der Zylinderkopf (4) einen Kompressionsraum begrenzen, in dem die Ver­ brennungsluft verdichtet und in den im Bereich des Kompressionstotpunktes Kraftstoff eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der komprimierten, heißen Luft im Kom­ pressionsraum abgetrennt und abgekühlt wird und der Kraftstoff in die abgekühlte Luft eingespritzt wird, dort verdampft und mit der abgekühlten Luft ein homoge­ nes, klopffestes Gemisch bildet, von dem ein kleiner Teil mit der heißen Luft des Kompressionsraumes in Kontakt gebracht und vermischt wird, sich dabei ent­ zündet und verbrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgekühlte Luft eine Temperatur unterhalb der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingespritzte Kraftstoff mit der abgekühlten Luft ein fettes Gemisch bildet, dessen Luftüberschußzahl Lambda vorzugsweise den Wert 0,6 bis 0,9 aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zwischen dem kühlen, fetten Gemisch und der heißen Luft zu einer lokalen Entzündung des Gemisches führt und die Verbrennung vom Entzündungsort ausgehend, kontrolliert fortschreitet.

5. Dieselbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsraum einen zylinderkopfseitigen Teilkompressionsraum (5a) und einen kolbenseitigen Teilkompressionsraum (5b) aufweist, die in Strömungsverbindung stehen, daß im zylinderkopfseitigen Teil­ kompressionsraum (5a) ein verschiebbarer, dichtend geführter, vorzugsweise zy­ lindrischer Verdrängerkolben (9) angeordnet ist, der den zylinderkopfseitigen Teilkompressionsraum (5a) in einen heißen Brennraum (6) und einen kalten Luftspeicher (10) unterteilt, wobei der Luftspeicher (10) und der Brennraum (6) über eine gekühlte Verbindungsleitung (11) in Strömungsverbindung stehen, in deren Bereich ein Kraftstoffeinspritzventil (7) angeordnet ist.

6. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (9) zwischen einem luftspei­ cherseitigen und einem brennraumseitigen Totpunkt gesteuert verschiebbar an­ geordnet ist.

7. Verfahren zum Betreiben der Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Verdrängerkolbens (9) so er­ folgt, daß dieser sich beim Expansions-, Ausschub- und Ansaugtakt bis in den darauffolgenden Kompressionstakt in seiner luftspeicherseitigen Totpunktlage befindet, daß er vorzugsweise in der zweiten Hälfte des Kompressionshubs von seinem luftspeicherseitigen zu seinem brennraumseitigen Totpunkt und unmittel­ bar danach im Bereich des Kompressionstotpunktes von seinem brennraumseiti­ gen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt verschoben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bewegung des Verdrängerkolbens (9) von seinem brennraumseitigen zu seinem luftspeicherseitigen Totpunkt Kraftstoff in die Verbindungsleitung (11) eingespritzt wird, wobei die Kraftstoffeinspritzung gegenüber dieser Bewegung des Verdrängerkolbens (9) vorzugsweise früher beginnt und früher endet.

9. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (9) als dünnwandiger, gas­ dichter und druckfester Hohlkolben mit einem luftspeicherseitigen Boden (12), einem brennraumseitigen Boden (13) und einem Hemd (14) ausgebildet ist, wobei der luftspeicherseitige Boden (12) eben und vorzugsweise einstückig mit einem zum Verdrängerkolben (9) koaxial angeordneten, im Zylinderkopf (4) dichtend geführten Führungsschaft (15) ausgebildet ist.

10. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der brennraumseitige Boden (13) des Verdränger­ kolbens (9) vorzugsweise gewölbt ausgebildet ist, aus warmfestem Werkstoff besteht und vorzugsweise mit wärmedämmendem Material beschichtet ist.

11. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am luftspeicherseitigen Ende des Hemdes (14) des Verdrängerkolbens (9) eine Dichtung (16) angeordnet ist.

12. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (16) trockenlaufend und vorzugsweise aus selbstschmierendem Kunststoff ausgebildet ist.

13. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicher (10) einen ebenen, intensiv ge­ kühlten Boden (8) aufweist, an dem der ebene Boden (12) des Verdrängerkolbens (9) in seiner luftspeicherseitigen Totpunktlage fest anliegt.

14. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Verschiebung des Verdränger­ kolbens (9) eine vorzugsweise obenliegende Nockenwelle (18) mit einem Noc­ ken (21) vorgesehen ist.

15. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Bewegung des Verdrängerkol­ bens (9) vom brennraumseitigen zu dessen luftspeicherseitigen Totpunkt vor­ zugsweise ein Tangentialteil (27) des Nockens (21) vorgesehen ist, das einen Nockenkreis berührt, dessen Durchmesser kleiner als der des Nockengrundkrei­ ses ist.

16. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise einarmiger Steuerhebel (19) vor­ gesehen ist, der von dem Nocken (21) vorzugsweise über eine im Mittelbereich des Steuerhebels angeordnete Rolle (25) angetrieben ist und mit dem freien Ende des Führungsschafts (15) und mit einem Steuerhebellager (23) in druck- und zugkraftübertragender Wirkverbindung steht.

17. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in luftspeicherseitiger Totpunktlage zwischen der Rolle (25) und dem Nocken (21) Spiel vorgesehen ist.

18. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das luftspeicherseitige Ende (20) der Verbindungs­ leitung (11) radial und bündig in den Luftspeicher (10) mündend und dessen ebenen Boden vorzugsweise tangierend angeordnet ist.

19. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das brennraumseitige Ende (22) der Verbindungs­ leitung (11) entweder tangential oder radial oder als fächerförmig ausgebildete Mehrfachöffnung unterhalb des brennraumseitigen Totpunktes des Verdränger­ kolbens (9) in den Brennraum (6) mündend oder hineinragend angeordnet ist.

20. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite eines geradlinigen Teils der Verbindungsleitung (11) Oberflächen vergrößernde und Turbulenz erzeugende Mittel angeordnet sind.

21. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (7) vom luftspeicherseitigen Ende der Verbindungsleitung (11) und in Richtung des geradlinigen Teils derselben spritzend angeordnet ist.

22. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (7) nur eine Düsenboh­ rung aufweist.

23. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des zylinderkopfseitigen Teilkom­ pressionsraums (5a) parallel zur Zylinderachse angeordnet ist.

24. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderkopfseitige Teilkompressionsraum (5a) in der Zylinderachse angeordnet ist.

25. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kolbenseitige Teilkompressionsraum (5b) in weitgehend ungedrosselter Strömungsverbindung mit dem Brennraum (6) steht.