DE69818087T2

DE69818087T2 - Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit fremdzündung

Info

Publication number: DE69818087T2
Application number: DE69818087T
Authority: DE
Inventors: Arnaud Chapuis; Paul Cuvillier; Françoise Dagand; Alain Floch
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: WO1999022125A1; FR2770256A1; FR2770256B1; EP1025347B1; EP1025347A1; DE69818087D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung des Kraftstoffs, der vier Ventile pro Zylinder aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Gestalt der Verbrennungskammer eines derartigen Motors.
Aus der Veröffentlichung FR-A-2 650 630 ist ein Motor mit mehreren Zylindern und mit Direkteinspritzung bekannt, der vier Ventile pro Zylinder aufweist. Gemäss diesem Stand der Technik ist der Motor mit einer Einlass- und Auslassanordnung, mit einer Einspritzanordnung für den Kraftstoff und mit einer Zündanordnung für die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Inneren des Motors versehen, wobei er dadurch gekennzeichnet ist, dass er für jeden Zylinder aufweist:

– eine in den Zylinderkopf eingearbeitete dachförmige Aussparung bestehend aus zwei ebenen geneigten Dachflächen, die durch eine im wesentliche zylindrische Kante am First miteinander verbunden sind,
– zwei Einlassventile und zwei Auslassventile, die in den geneigten Dachflächen münden, wobei die Einlassventile und die Auslassventile sich diametral gegenüber liegend jeweils in einer der Dachflächen angeordnet sind,
– zwei Zündkerzen, die in die zylindrische Kante am First der Verbrennungskammer eingesetzt sind und die geneigt sind bezüglich der senkrechten Achse des Zylinders und
– eine Einspritzdüse für den Kraftstoff, die im First der dachförmigen Aussparung im wesentlichen in der Mitte der Kante mündet.

Jede der Verbrennungskammern dieses Motors nach dem Stand der Technik besteht demzufolge aus einer Aussparung, die im Zylinderkopf ausgebildet ist, wobei in dieser Aussparung die Auslassventile und die Einlassventile sich diametral gegenüber liegend angeordnet sind und wobei im oberen Bereich eine Einspritzdüse und zwei Zündkerzen münden. Diese Ausgestaltung, die sehr vorteilhaft ist im Hinblick für einen Betrieb mit Schichtladung auf Grund eines sogenannten aerodynamischen „Swirl" – Effektes (das heißt, eine Drehbewegung um die Achse des Zylinders), ist jedoch noch mit dem Nachteil behaftet, eine erhebliche Bauhöhe des Zylinderkopfes und damit einen vergrößerten Raumbedarf des Motors zu bedingen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs zu schaffen, der einen neuartigen Aufbau aufweist und damit die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
Gemäss der Erfindung weist der Verbrennungsmotor die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.
Gemäss einem weiteren Merkmal des Verbrennungsmotors nach der Erfindung sind die Elektroden der Zündkerze am Umfang des Einspritzkonus des Kraftstoffs angeordnet.
Die Ziele, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung zweier die Erfindung nicht begrenzender Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor; darin zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Verbrennungskammer für einen Verbrennungsmotor nach der Erfindung,
2 einen Querschnitt durch die in 1 dargestellte Verbrennungskammer und
3 eine ähnliche Ansicht wie 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Verbrennungskammer für einen Verbrennungsmotor nach der Erfindung.
In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile des Motors dargestellt und zwar an Hand einer einzigen Verbrennungskammer, wobei betont sei, dass die anderen Verbrennungskammern in identischer Weise ausgestaltet sind.
Zur Vereinfachung der Beschreibung der Zeichnung sind gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren verwendet worden. Außerdem weisen die einzelnen Bauteile des zweiten Ausführungsbeispiels das Bezugzeichen 2 auf, gefolgt von dem entsprechenden Bezugszeichen (mit zwei Zahlen) für das gleiche Bauteil des ersten Ausführungsbeispiels, wobei es die gleiche Zahl enthält, sodass zum Beispiel eine der Einlassleitungen des zweiten Ausführungsbeispiels mit dem Bezugszeichen 205 versehen ist, während die entsprechende Einlassleitung im ersten Ausführungsbeispiel mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist.
Das erste Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, das in den 1 und 2 dargestellt ist, bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs.
Der Verbrennungsmotor gemäss der Erfindung besteht hauptsächlich aus einem Zylinderkopf 4 und aus einem das Gehäuse des Motors bildenden Zylinderblock 10, auf dem der Zylinderkopf angeordnet ist. Eine Vielzahl von zylindrischen Bohrungen oder Zylindern, die identisch zum dargestellten Zylinder 2 sind, sind im Zylinderblock 10 vorgesehen. In jedem Zylinder 2 ist ein Kolben 3 vorgesehen, dessen Auf- und Abbewegung über eine nicht dargestellte Anordnung aus Pleueln und einer Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt wird.
Im oberen Abschnitt des Zylinders 2 ist eine Verbrennungskammer 1 ausgebildet, die durch die Oberseite des Kolbens 3, die Unterseite des Zylinderkopfes 4 und die Innenwände des Zylinders 2 begrenzt wird. Die Unterseite des Zylinderkopfes 4 ist oberhalb des Kolbens 3 angeordnet und weist die Form eines Daches mit zwei Schrägen auf bestehend aus zwei geneigten Dachflächen, die am First zusammen treffen und die über eine abgerundete Kante miteinander verbunden sind, die sich in der axialen Mittenebene erstreckt, die durch die Achsen der Kurbelwelle und des Zylinders 2 aufgespannt wird. Der Winkel zwischen diesen beiden Dachflächen liegt zum Beispiel zwischen 15° und 60°.
Der Zylinderkopf 4 wird für jede Verbrennungskammer in Querrichtung von zwei Einlassleitungen 5, 6 für die Verbrennungsluft durchsetzt sowie von zwei Auslassleitungen 7, 8 für die Abgase, die entsprechend beidseits der senkrechten Symmetrieebene der Zylinder angeordnet sind und zwar zwischen einer Seitenwand des Zylinderkopfes 4 und der Verbrennungskammer 1.
Diese als Doppelleitungen dargestellten Leitungen 5, 6, 7 und 8, die auch als Einzelleitungen ausgebildet sein können, verlaufen parallel zur Mittenebene in Querrichtung, die durch die Achse des Zylinders 2 verläuft und münden in der Verbrennungskammer 1 über nicht dargestellte Einlassöffnungen und Auslassöffnungen, in die in herkömmlicher Weise Ventile mit Stößeln zur Steuerung deren Öffnung eingesetzt sind.
Die beiden Einlassventile münden dabei in der Verbrennungskammer auf ein- und derselben Seite bezüglich der Dachkante 12, während die beiden Auslassöffnungen 11 in der Verbrennungskammer 1 auf der der Seite mit den Einlassöffnungen gegenüber liegenden Seite münden. Der Winkel zwischen den Einlassventilen und den Auslassventilen entspricht dem Dachwinkel und liegt damit zwischen 15° und 60°. Die Größe der Einlassöffnungen ist dabei dergestalt bemessen, dass sie den größtmöglichen Teil der entsprechenden Dachfläche 13 einnehmen im Hinblick auf eine Verringerung des Wandeffektes.
Die beiden Einlassleitungen 5, 6 sind derart ausgebildet, dass sie in der Verbrennungskammer 1 eine vorgegebene Luftbewegung erzeugen, insbesondere eine sogenannte Tumble-Verwirbelung mit einer Achse senkrecht zur Achse des Zylinders 2 und die sich vom Einlass zum Auslass erstreckt oder auch eine sogenannte Swirl-Verwirbelung mit einer Achse parallel zur Achse des Zylinders 2. Diese Ausbildung wird dadurch erhalten, dass entweder die Gestalt der Leitungen 5, 6 entsprechend geformt wird, sodass sie gerade und geneigt bezüglich der Achse des Zylinders 2 oder aber schraubenlinienförmig angeordnet sind; eine weitere Möglichkeit besteht darin, in den Einlassleitungen 5 und 6 nicht dargestellte steuerbare Bauteile vorzusehen, die eine Tumble-Verwirbelung oder eine Swirl-Verwirbelung mit variabler Intensität hervorrufen.
Eine Einspritzdüse 9 für den Kraftstoff und eine Zündkerze 11 sind in den Zylinderkopf 4 derart eingesetzt, dass sie direkt in der Verbrennungskammer 1 in einer Mittenposition münden, die sich im wesentlichen am First der Aussparung 13 befindet. Die Einspritzdüse 9 und die Zündkerze 11 sind parallel zur Achse des Zylinders 2 oder geringfügig zu ihr geneigt. Die Zündkerze ist dabei in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüse eingesetzt, sodass ihre Elektroden am Umfang des Kraftstoffstrahles angeordnet sind.
Wenn die Zündkerze bezüglich der axialen Mittenebene geneigt eingesetzt ist, so ist sie vorzugsweise in Richtung der Auslassleitungen geneigt, während die Einspritzdüse, sofern sie geneigt eingesetzt ist, in Richtung der Einlassleitungen geneigt ist. Der Winkel des Konus der Einspritzung des Kraftstoffs durch die Einspritzdüse liegt vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 30 und 60°, während der Einspritzdruck des Kraftstoffs zwischen 10 und 100 Bar liegt und in vorteilhafter Weise zwischen 10 und 50 Bar liegt.
Die Oberseite des Kolbens 3 weist im allgemeinen die Gestalt eines komplementären Daches zur Dachfläche 13 des Zylinderkopfes 4 auf, sodass ein entsprechender Stosseffekt erzielt wird. Dessen Intensität und Richtung, die insbesondere durch die Dicke der Luftschicht zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf und dem oberen Totpunkt festgelegt sind, werden derart eingestellt, dass am Ende des Verdichtungstaktes die während des Einlasses der Fischluft in die Verbrennungskammer 1 erzeugte aerodynamische Bewegung verlängert wird. Seine Größe liegt vorzugsweise zwischen 0,7 und 1,2 mm bei einem Volumenverhältnis zwischen 10 und 12.
Die Oberseite des Kolbens 3 ist außerdem gegenüber der Auftreffstelle des Kraftstoffstrahls, der von der Einspritzdüse 9 abgegeben wird, mit einer Aussparung 15 versehen. Diese Aussparung 15 verbessert die kompakte Ausgestaltung der Verbrennungskammer 1 und begrenzt den Wärmeaustausch mit den Wänden, wobei sie außerdem eine Begrenzung des Kraftstoffbereichs auf die Mitte der Verbrennungskammer bei Betrieb mit Schichtladung ermöglicht. Die Form der Wände dieser Aussparung sowie diejenige ihrer Öffnung sind an die vorgesehenen besonderen Positionen der Einspritzdüse und der Zündkerze angepasst.
Die Gestalt der Aussparung führt zu einer linsenförmigen Geometrie, das heißt zu einer scheibenförmigen Gestalt mit geringer Dicke (von einigen Millimetern), die insbesondere für eine Tumble-Aerodynamik geeignet ist.
Gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend den 1 und 2 sind die Einspritzdüse 9 und die Zündkerze 11 in der Mittenebene in Querrichtung beidseits der Kante 12 eingesetzt und in Richtung der Einlassleitungen bzw. der Auslassleitungen geneigt.
Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 3 sind die Einspritzdüse 209 und die Zündkerze 211 in der axialen Mittenebene eingesetzt, die die Einlassleitungen 205 und 206 auf der einen Seite von den Auslassleitungen 207 und 208 auf der anderen Seite trennt. Damit münden die Einspritzdüse 209 und die Zündkerze 211 gegenüber der Kante 212 in der Nähe der Achse des Zylinders. Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einspritzdüse 209 und die Zündkerze 211 im wesentlichen beidseits der Achse des Zylinders eingesetzt; bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, die Einspritzdüse 209 oder die Zündkerze 211 genau in der Achse des Zylinders anzuordnen. Die Einspritzdüse 209 und die Zündkerze 211 erstrecken sich entweder parallel zur Achse des Zylinders oder sind geringfügig bezüglich der Letzteren geneigt, wobei sie in der axialen Mittenebene angeordnet sind.
Nachfolgend wird im Zusammenhang mit den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eines Motors nach der Erfindung die Betriebsweise erläutert.
Die in die Kammer 1 während der Öffnung der Einlassventile durch die Einlassöffnungen einströmende Frischluft bildet eine Tumble-Verwirbelung oder eine Swirl-Verwirbelung aus. Diese Bewegung setzt sich bis in die Aussparung 15 fort, in dem Maß, in dem sich der Kolben nach oben bewegt, dadurch den Stosseffekt verstärkt und so die Verdichtung vergrößert.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt des Arbeitstaktes des Motors (der durch eine bestimmte Winkelstellung der Kurbelwelle θ° vor dem oberen Totpunkt ermittelt wird) und während einer entsprechenden Dauer wird der Kraftstoff eingespritzt. Der von der Einspritzdüse 9 abgegebene Kraftstoffstrahl wird dabei mit der Luft vermischt. Der Kraftstoff wird dann in Richtung Zündkerze 11 gefördert, nachdem er den Boden der Aussparung 15 im Kolben überstrichen hat, dessen Temperatur eine Verdampfung begünstigt. Die Zündung des Gemisches erfolgt in der Nähe des oberen Totpunktes mit eingestellter Vorzündung und löst die Verbrennung aus, welche an den Elektroden der Zündkerze 11 einsetzt um sich anschließend über die gesamte Verbrennungskammer 1 auszubreiten, während der Kolben 3 eine Abwärtsbewegung ausführt.
Je nach dem Betriebspunkt des Motors, des Zeitpunktes der Einspritzung, der Menge an Kraftstoff und der eingestellten Vorzündung wird ein Betrieb mit Schichtladung (insbesondere bei geringer Last) oder ein Betrieb mit homogener Ladung (insbesondere bei Volllast) ermöglicht.
Es sei betont, dass alle Parameter des Motors und vor allem die Gestaltung der Aussparung 15, die Stellen, an denen die Zündkerze und die Einspritzdüse eingesetzt sind, sowie die Richtung und die Intensität der Tumble-Verwirbelung oder der Swirl-Verwirbelung und diejenigen des Stosseffektes durch geeignete Versuche als Funktion des Hubraumes und der erwünschten Eigenschaften für das Drehmoment und die Leistung des Motors zu ermitteln sind.
Für diesen Motor gemäss der Erfindung ist die Erzeugung einer vorgegebenen aerodynamischen Bewegung in der Verbrennungskammer 1 von großer Bedeutung im Hinblick auf einer Verbesserung der Verbrennung und der Steuerung der Stabilität der Verteilung des Kraftstoffs. Eine Drehbewegung des Luft-Kraftstoff-Gemisches führt zu einer verbesserten Stabilität des Motors, insbesondere bei einem Betrieb mit einem mageren homogenen Gemisch.
Die beschriebenen Verbrennungskammern eignen sich ebenso gut für einen Betrieb mit einem homogenen Gemisch, mit einem stöchiometrischen Gemisch, mit einem mageren Gemisch und mit Schichtladung. Des Weiteren können sie auch verwendet werden bei einem Betrieb mit EGR oder ohne EGR. Sie eignen sich beispielsweise auch für eine Ausbildung und Beibehaltung einer inneren Aerodynamik während der Takte des Einlasses und der Verdichtung mit einer Tumble-Verwirbelung (vorgegebene Bewegung um eine Achse senkrecht zur Achse des Zylinders).
Es sei betont, dass die Erfindung keinesfalls auf das beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die nur der Erläuterung dienen.

Claims

Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass er für jeden Zylinder aufweist: eine Verbrennungskammer (1), die durch die Oberseite eines im Zylinder (2) angeordneten Kolbens (3) und durch die Unterseite eins Zylinderkopfes (4) begrenzt wird, der eine dachförmige Aussparung (13) aufweist, die aus zwei ebenen geneigten Dachflächen besteht, die am First über eine abgerundete Kante (12; 212) miteinander verbunden sind und sich parallel zur Längsachse des Motors erstrecken; zwei Einlassleitungen (5, 6; 205, 206), die den Zylinderkopf (4) durchsetzen und in der Verbrennungskammer (1) über zwei getrennt in einer der ebenen Dachflächen ausgebildete, durch Ventile verschließbare Öffnungen münden; zwei Auslassleitungen (7, 8; 207, 208), die den Zylinderkopf (4) durchsetzen und in der Verbrennungskammer (1) auf der den Einlassöffnungen gegenüberliegenden Seite bezüglich der Kante über zwei getrennte durch Ventile verschließbare Auslassöffnungen münden; eine Einspritzdüse ((9; 209) für den Kraftstoff und eine Zündkerze (11; 211), die in der Verbrennungskammer (1) im wesentlichen in der Mitte der dachförmigen Aussparung (13) münden; wobei die Oberseite des Kolbens (3) eine im wesentlichen zur dachförmigen Aussparung (13) im Zylinderkopf (4) komplementäre Dachform aufweist, die mit einer mittigen Aussparung (15) versehen ist, welche eine linsenförmige Geometrie aufweist und der Einspritzdüse gegenüber liegt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Zündkerze (11; 211) am Umfang des Einspritzkonus des Kraftstoffs angeordnet sind.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel des Einspritzkonus zwischen 30^ und 60° liegt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (9; 209) geneigt ist bezüglich der Achse des Zylinders (2).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (9) zu den Einlassleitungen (5, 6) hin geneigt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (11, 211) geneigt ist bezüglich der Achse des Zylinders (2).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (11) zu den Auslassleitungen (7, 8) hin geneigt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (11) und die Einspritzdüse (9) im wesentlichen in der Mittenebene in Querrichtung angeordnet sind und beidseits der mittigen Kante (12) münden, die die beiden geneigten Ebenen der dachförmigen Aussparung (13) begrenzt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (211) und die Einspritzdüse (209) im wesentlichen in der axialen Mittenebene angeordnet sind und gegenüber der Kante (212) beidseits der Achse des Zylinders münden.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (211) und die Einspritzdüse (209) im wesentlichen in der axialen Mittenebene angeordnet sind und dass die Einspritzdüse (209) oder die Zündkerze (211) in der Achse des Zylinders mündet.