DE69821589T2

DE69821589T2 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69821589T2
Application number: DE69821589T
Authority: DE
Inventors: François Baudlot; Alain Floch; Patrick Gastaldi; Jean Christophe Lucas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2018-12-05
Also published as: FR2772073B1; FR2772073A1; ES2212244T3; DE69821589D1; EP0921287A1; EP0921287B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und direkter Einspritzung.
Die Erfindung betrifft noch genauer einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung von dem Typ, in welchen ein Zylinder axial in Richtung nach oben durch eine untere Fläche eines Zylinderkopfes begrenzt ist, in welcher zwei Einlassleitungen und zwei Auslassleitungen jeweils über ein entsprechendes Ventil münden, von dem Typ, in welchem die zwei Einlassventile jeweils beiderseits einer Referenzebene angeordnet sind, welche die Achse des Zylinders enthält und von dem Typ, welcher eine Benzineinspritzdüse aufweist, deren Vorderteil in den Zylinder zwischen den zwei Einlassventilen mündet, und eine Zündkerze, welche im Wesentlichen im Zentrum der unteren Fläche des Zylinderkopfes eingesetzt ist.
Die Verbrennungsmotoren mit gesteuerter Zündung weisen den großen Vorteil auf, mit einer Direkteinspritzvorrichtung des Kraftstoffes bzw. Treibstoffs in den Zylinder realisiert zu sein.
Die Verwendung der Direkteinspritzung ermöglicht es tatsächlich, den Betrieb des Motors mit als „mager" zu bezeichnenden Mischungen zu optimieren, das heißt Kraftstoffmischungen, in welchen ein großer Überschuss von Luft im Verhältnis zu der Menge von Kraftstoff besteht, welcher in den Zylinder eingebracht wird.
Die Verwendung von mageren Gemischen ermöglicht es insbesondere, auf beträchtliche Art und Weise den verbrauchten Kraftstoff zu reduzieren, jedoch ebenso die maximale Temperatur, welche im Verlauf der Verbrennung erreicht wird, zu reduzieren, was es ermöglicht, die Produktion von Schmutzbestandteilen, wie zum Beispiel Stickoxide (NOx) zu verringern.
Gleichermaßen ermöglicht der Überschuss an Luft es zu verhindern, dass ein Teil des Kraftstoffes nach der Verbrennung unverbrannt bleibt und mit den Abgasen ausgestoßen wird.
Die Verwendung eines „mageren" Gemischs ist jedoch die Ursache für eine gewisse Anzahl von Problemen. Insbesondere wird die Zündung der Verbrennung der Luft/Kraftstoff-Mischung schwieriger gemacht auf Grund des geringen Verhältnisses von Kraftstoff zu Luft.
Mit dem Ziel, dieses Problem zu umgehen, hat man es somit versucht, die Motoren mit gesteuerter Zündung betreiben zu lassen, wenn sie mit „mageren" Mischungen versorgt werden, gemäß dem Prinzip von geschichteten Ladungen, in welchen die mit Kraftstoff versehenen Mischungen keine homogene Zusammensetzung in dem gesamten Zylinder aufweisen. Man hat so versucht, eine größere Konzentration von Kraftstoff in der Nähe der Zündkerze derart herbeizuführen, dass der Funke, den diese erzeugt, leicht den Start der Verbrennung in dem Zylinder herbeiführen kann.
Man kennt verschiedene Lösungen, welche es ermöglichen, dank der Direkteinspritzung geschichtete Ladungen zu realisieren.
Eine erste besteht darin, die Einspritzdüse und die Kerze auf solch eine Art und Weise zu positionieren, dass der Kraftstoffstrahl direkt durch die Einspritzdüse in Richtung Zündkerze gespritzt wird. Diese Methode ist an für sich sehr leistungsfähig, jedoch ist sie sehr anfällig gegenüber Ungewissheiten einer Positionierung der verschiedenen Elemente und des Weiteren gegenüber der Verschmutzung des Vorderteils der Einspritzdüse, welche die Charakteristiken des Kraftstoffstrahls merklich verändern kann. Im Laufe der Zeit kann ein so realisierter Motor häufige Einstellungen erfordern, um zu vermeiden, dass sich zahlreiche „Falsch"-Zündungen einstellen.
Eine zweite Lösung besteht darin, eine Schichtung durch Wandeffekt zu realisieren unter einem Leiten des Kraftstoffstrahls in Richtung einer Wand, zum Beispiel der oberen Fläche bzw. Stirnfläche des Kolbens, um ihn dann in Richtung der Kerze abzulenken. Jedoch kann sich mit dieser Lösung eine beträchtliche Kondensierung von Kraftstoff an den Wänden einstellen, wobei der so kondensierte Kraftstoff dann sehr schwer zündbar ist.
Das Dokument US 5 327 864 lehrt einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, welcher Mittel aufweist, um eine Wirbelbewegung vom Typ „Tumble" zu erzeugen. Der Kolben weist eine Aussparung auf, die im Wesentlichen gemäß einem Durchmesser des Kolbens vorgesehen ist, und noch genauer in der Achse des Kraftstoffstrahls, vergleichbar mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung hat somit die Aufgabe, eine allgemeine Lösung betreffend der Geometrie und des Einsatzes von wesentlichen Elementen eines Verbrennungsmotors mit gesteuerter Zündung vorzuschlagen, welche es ermöglicht, einen optimalen Betrieb des Motors mit geschichteten, „mageren" Ladungen zu erhalten.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vor.
Die Einspritzdüse ist in einer Art und Weise angeordnet, dass ein Kraftstoffstrahl in Richtung der konkaven Ausnehmung des Kolbens gespitzt wird;

– die konkave Ausnehmung weist eine Erweiterung auf, die sich im Wesentlichen gemäß der Richtung des Kraftstoffstrahls, der durch die Düse eingespritzt wird, erstreckt;
– die Achse des Treibstoff- bzw. Kraftstoffstrahls ist winkelmäßig im Verhältnis zur Referenzebene versetzt;
– in der Referenzebene bildet die Achse des Kraftstoffstrahls einen Winkel im Wesentlichen zwischen 30° und 70° mit einer Ebene, rechtwinklig zur Achse des Zylinders; und
– der Kraftstoffstrahl erstreckt sich im Inneren eines Kegels, dessen Winkel an der Spitze im Wesentlichen zwischen 20° und 50° liegt.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der detaillierten Beschreibung offenbar, welche nachfolgt, für deren Verständnis man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in welchen:
1 eine schematische und teilweise axial geschnittene Ansicht eines Motors gemäß den Lehren der Erfindung ist;
2 eine Ansicht von unten gemäß der Achse des Zylinders der unteren Fläche des Zylinderkopfes des Motors aus 1 ist;
3 eine schematische Ansicht in Perspektive ist, welche die Form der oberen Fläche des Kolbens des Motors aus 1 darstellt;
4 eine schematische Ansicht im Axialschnitt ist, die eine Ausführungsvariante der Erfindung darstellt; und
5 eine ähnliche Ansicht zu derjenigen von 2 ist, die eine andere Ausführungsvariante der Erfindung darstellt.
In 1 hat man einen Zylinder 10 eines Verbrennungsmotors mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung dargestellt. Der Zylinder 10 einer Achse A1 ist in einem Motorblock 12 durch eine zylindrische Wand 14 begrenzt. Der Zylinder 10 ist in Richtung nach oben durch die untere Fläche 16 eines Zylinderkopfes 18 und in Richtung nach unten durch die obere Fläche 20 eines Kolbens 22 begrenzt, welche auf bekannte Art und Weise zu einer hin und her gehenden Translationsbewegung gemäß Achse A1 angeregt wird.
Zwei Einlassleitungen 24 für Luft sind in dem Zylinderkopf 18 derart vorgesehen, dass sie in der unteren Fläche 16 von diesem münden. Die Verbindung zwischen den Einlassleitungen 24 und dem Zylinder 10 wird durch gesteuerte Einlassventile 26 erlaubt oder unterbrochen.
Auf bekannte Art und Weise münden Auslassleitungen 28 in den Zylinder 10 über Auslassventilen 30.
In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist die untere Fläche 16 des Zylinderkopfes 18 als „Dach" derart konfiguriert, dass sie zwei Dachschrägen 32, 34 aufweist, welche im Wesentlichen eben und beiderseits einer Kante 36 in der Spitze geneigt sind. Die Einlassleitungen 24 münden in einer 34 der Dachschrägen, während die Auslassleitungen 28 in der anderen 32 der Dachschrägen münden.
Da es sich um einen Motor mit gesteuerter Zündung handelt, ist eine Zündkerze 38 in dem Zylinderkopf 16 derart eingeschraubt, dass ihre Elektroden 40 in den Zylinder 10 münden, im Wesentlichen auf der Achse A1 von diesem, und somit auf Höhe der Kante 36 an der Spitze der unteren Fläche 16 des Zylinderkopfes 18.
Außerdem ist eine Einspritzdüse 42 in den Zylinderkopf 18 derart eingesetzt, dass eine Nase bzw. ein Vorderteil 44 der Einspritzdüse 42 in den Zylinder 10 mündet, um direkt ins Innere von diesem einen Kraftstoffstrahl einzuspritzen.
Bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung spritzt die Einspritzdüse 42 einen im Wesentlichen kegelförmigen Kraftstoffstrahl ein, wobei die Achse des Strahls im Wesentlichen mit derjenigen A2 der Einspritzdüse 42 ineinander übergeht, die, wie man in den 1 und 2 sehen kann, einen Winkel von etwa 20° bis 40° mit der Ebene P rechtwinklig zur Achse A1 des Zylinders 10 formt. Die Achse A2 der Einspritzdüse 42 ist in einer Referenzebene P0 enthalten, welche diejenige der 1 ist, das heißt die Ebene rechtwinklig zur Kante 36 an der Spitze.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist der Zylinder 10 mit mindestens einer Einlassleitung 24 ausgestattet, welche Mittel aufweist, um mindestens für gewisse Momente eine als „Tumble" bezeichnete Wirbelbewegung im Zylinder 10 zu erzeugen. Diese Mittel können einfach durch die Form der Einlassleitung 24 gebildet sein; sie können jedoch auch durch zusätzliche Mittel, welche in der Einlassleitung eingesetzt sind, gebildet sein, beweglich oder fest, und fähig, den Luftstrom in der Leitung 24 zu stören, damit im Inneren des Zylinders 10 eine Wirbelbewegung erzeugt wird, welche in der Referenzebene PO rechtwinklig zu der Kante an der Spitze 36 um eine Achse parallel zu dieser Kante 36 im Gegen-Uhrzeigersinn dreht, wenn man den Zylinder 10 derart betrachtet, dass die Einlassventile rechts sind und die Auslassventile links sind.
Auf Grund der so erzeugten Wirbelbewegung, welche insbesondere in 1 dargestellt ist, tendiert der Kraftstoffstrahl dazu, durch Gasströmungen abgefangen zu werden, welche eine Anhäufung von Kraftstoff in der Nähe der Elektroden 40 der Kerze 34 hervorrufen. Somit wird gemäß der Erfindung die Schichtung der mit Kraftstoff versehenen Mischung dank der Aerodynamik von Gasen in dem Zylinder 10 erhalten unter Begrenzen des Kontakts des Kraftstoffs mit den Zylinderwänden, d. h. unter einem Begrenzen der Kontakte mit der oberen Fläche 20 des Kolbens 22 und mit der seitlichen Fläche 14 des Zylinders 10.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist die obere Fläche bzw. Stirnfläche 20 des Kolbens 22 eine konkave Ausnehmung 46 auf, welche es ermöglicht, besser die „Tumble"-Wirbelbewegung der Gase, die in dem Zylinder enthalten sind, zu kanalisieren, insbesondere während dem Zeitpunkt der Komprimierung, wenn der Kolben 22 in dem Zylinder 10 in Richtung zu seiner oberen Totpunkt-Stellung aufsteigt.
Diese Aussparung bzw. Ausnehmung 46 kann zum Beispiel von einer linsenförmigen Form sein und im Verhältnis zur Achse A1 des Zylinders zentriert sein.
Jedoch wird diese Aussparung 46 unter Berücksichtigung des Drehsinns der „Tumble"-Wirbelbewegung vorteilhafterweise im Verhältnis zur Achse A1 in einer Art und Weise versetzt sein, um im Wesentlichen unterhalb der Auslassventile 30 angeordnet zu sein, wie man es insbesondere in 3 sehen kann. Tatsächlich wird der aufsteigende Teil dieser Bewegung der Gase somit durch die Seite der Ausnehmung 46 geführt, welche sich auf Grund der Versetzung beinahe im Lot bzw. in der Senkrechten der Kerze 38 befindet.
Wie man in dieser Figur sehen kann, weist die obere Fläche 20 des Kolbens 22 außerdem in der Senkrechten zu der Kante 36 an der Spitze erhöhte Teile 48 auf, welche es ermöglichen, das Restvolumen des Zylinders zu begrenzen, wenn der Kolben 22 im oberen Totpunkt ist, und zwar dies zum Erhalten einer adäquaten Komprimierungsrate der Gase.
Jedoch ist es ebenso bevorzugt, dass der Kraftstoffstrahl, der durch die Einspritzdüse 42 eingespritzt wird, im Wesentlichen in Richtung der konkaven Ausnehmung 46 gerichtet ist, um mit der Wirbelbewegung zusammenwirken zu können, die durch diese Ausnehmung kanalisiert wird. Dies ist um so wichtiger, als, wenn man es wünscht, eine starke Schichtung der Luft-Kraftstoff-Mischung zu realisieren, das Einspritzen von Kraftstoff relativ spät im Zeitpunkt der Komprimierung realisiert wird, d. h., wenn der Kolben 22 sich seiner oberen Totpunkt-Stellung annähert.
Auch hat man, damit der Kraftstoffstrahl die Ausnehmung 46, welche gegenüberliegend der Einspritzdüse 42 im Zylinder 10 angeordnet ist, erreicht, ohne mit der oberen Fläche 20 des Kolbens 22 zu kollidieren, vorgesehen, die Ausnehmung 46 mit einer Erweiterung 50 auszustatten, welche sich im Wesentlichen gemäß der Richtung des durch die Einspritzdüse 42 eingespritzten Kraftstoffstrahls in Richtung von dieser erstreckt. Die Abmessungen und die Tiefe dieser Erweiterung, welche hohl zwischen den erhöhten Teilen 18 der Oberfläche 20 angeordnet ist, hängt insbesondere von der Geometrie des durch die Einspritzdüse 42 eingespritzten Strahls ab.
Vorzugsweise wird dieser Strahl in einer Art und Weise ausgewählt, dass der Spritzkegel einen Winkel an der Spitze im Wesentlichen zwischen 30° und 70° aufweist.
Jedoch werden die erhöhten Teile 48 vorzugsweise in einer solchen Art und Wiese vorgesehen, um nicht eine Ausstoßeffekt bzw. Nachlaufeffekt (frz. effet de chasse) hervorzurufen, wenn der Kolben 22 an seinem oberen Totpunkt ankommt. Tatsächlich kann sich ein derartiger Ausstoßeffekt, durch welchen die Gase zwischen der unteren Fläche 16 des Zylinderkopfs 18 und der oberen Fläche 20 des Kolbens 22 eingeschlossen sind, gemäß einer Richtung rechtwinklig zur Richtung zur Kante an der Spitze 36 gestoßen werden, als ungünstig für eine gute Schichtung der mit Kraftstoff versehenen Mischung erweisen. Auch wird man in dem Teil des Kolbens 22, der sich unterhalb der Einlassventile 26 befindet, einen ausreichenden Raum zwischen der oberen Fläche 22 des Kolbens 20 und der unteren Fläche 16 des Zylinderkopfes 18 vorsehen.
In den 4 und 5 hat man zwei Ausführungsvarianten der Erfindung dargestellt, in welchen eine Einspritzdüse 42 verwendet wird, welche einen Kraftstoffstrahl einspritzt, dessen Achse A3 winkelmäßig im Verhältnis zu derjenigen A2 der Einspritzdüse 42 versetzt ist. Diese Versetzung kann, wie in dem Ausführungsbeispiel der 4, in einer Ebene realisiert werden, die gleichzeitig die Achse A1 des Zylinders und die Achse A2 der Einspritzdüse 42 enthält, oder wie in dem Ausführungsbeispiel der 5 in einer Ebene rechtwinklig zur Achse A1 des Zylinders 10.
In beiden Fällen geht es somit darum, einerseits die Richtung des Kraftstoffstrahls und andererseits das Einsetzen der Einspritzdüse 42 in den Zylinderkopf 18 optimieren zu können, was es insbesondere ermöglicht, auf die Beschränkungen hin sichtlich des Raumbedarfs oder einer Wiederabkühlung der Einspritzdüse 42 antworten zu können.
Selbstverständlich können die zwei Varianten einer winkelmäßigen Versetzung des Kraftstoffstrahls in Kombination verwendet werden.
Wenn man eine Einspritzdüse 42 benutzt, deren Einspritzachse A3 von der Achse A2 der Einspritzdüse 42 selbst sich unterscheidet, kann es interessant sein, die Ausnehmung bzw. Kavität 46 nicht nur gemäß einer Richtung rechtwinklig zur Kante an der Spitze 36 zu versetzen, sondern ebenso gemäß einer Richtung parallel zu dieser.

Claims

Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und direkter Einspritzung, welcher zwei Einlassleitungen (24) und zwei Auslassleitungen (28) aufweist, von dem Typ, in welchem die zwei Einlassventile (26) jedes beiderseits einer Referenzebene (P0) angeordnet sind, welche die Achse (A1) des Zylinders (10) enthält, und von dem Typ, welcher eine Benzineinspritzdüse (40) aufweist, deren Vorderteil (42) in den Zylinder (10) zwischen den zwei Einlassventilen (24) mündet, und eine Zündkerze (38), welche im Wesentlichen im Zentrum der unteren Fläche (16) des Zylinderkopfes eingesetzt ist, wobei mindestens eine der Einlassleitungen (24) Mittel aufweist zum Erzeugen in dem Zylinder, mindestens für gewisse Funktionsphasen des Motors, eine Wirbelbewegung, genannt "tumble", in welcher die Gase, die in dem Zylinder (10) enthalten sind, mit einer Drehbewegung um eine rechtwinklige Achse zu der Referenzebene (P0) angeregt werden, gemäß einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn, wenn man auf den Zylinder (10) in solch einer Weise schaut, dass die Einlassventile (26) rechts sind und die Auslassventile (30) links, in einer Weise, um den Antrieb des Treibstoffs in Richtung auf die Zündkerze (38) zu begünstigen, wobei der Zylinder (10) in Richtung nach unten durch die obere Fläche (20) eines Kolbens (22) begrenzt ist, wobei er auf seiner Oberfläche (20) eine konkave Ausnehmung (46) aufweist, welche in einer Weise dezentriert ist, um im Wesentlichen unterhalb der Auslassventile (30) angeordnet zu sein, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung einen Rand aufweist, welcher in der Nähe der Senkrechten der Zündkerze angeordnet ist, um die Bewegung des Gases direkt in Richtung zu der Zündkerze zu führen.
Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (42) in einer Weise konstruiert ist, um einen Treibstoffstrahl in Richtung der konkaven Ausnehmung (46) des Kolbens (20) zu zersprühen.
Motor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Ausnehmung (46) eine Erweiterung (50) aufweist, welche sich im Wesentlichen gemäß der Richtung (A2, A3) des Treibstoffstrahls erstreckt, welcher durch die Einspritzdüse (42) eingesprüht wird.
Motor nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A3) des Treibstoffstrahls winkelmäßig im Verhältnis zur Referenzebene (PO) versetzt ist.
Motor nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzebene (PO) die Achse (A2) des Treibstoffstrahls einen Winkel, im Wesentlichen zwischen 20 und 40 Grad, mit einer rechtwinkligen Ebene (P) zu der Achse (A1) des Zylinders (10) bildet.
Motor nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoffstrahl sich im Inneren eines Kegels erstreckt, dessen Winkel an der Spitze im Wesentlichen zwischen 30 und 70 Grad ist.
Motor nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Fläche des Kolbens eine Peripherie der Ausnehmung von erhöhten Teilen aufweist, welche im Wesentlichen gemäß dem Durchmesser angeordnet sind, der rechtwinklig zu der Referenzebene ist.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der erhöhten Teile derart gewählt ist, um keinen Ausstoß-Effekt hervorzurufen.