DE69927730T2

DE69927730T2 - Fremdgezündete Viertaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE69927730T2
Application number: DE69927730T
Authority: DE
Inventors: Gaetan Monnier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: US6076498A; EP0945604A1; FR2776708B1; DE69927730D1; JPH11324681A; FR2776708A1; EP0945604B1; ATE307274T1; KR19990078188A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Viertakt-Verbrennungsmotoren mit gesteuerter Zündung und insbesondere mit direkter Einspritzung von Treibstoff in die Brennkammer.
Für diese Art von Motoren erfolgt die Einspritzung von Treibstoff direkt in der Brennkammer und nicht, wie bei den anderen Motoren, in der oder den Einlassleitung(en). Die Direkteinspritzung von Kraftstoff ermöglicht es, die Verbrennung besser zu beherrschen, in dem Maße, wie die Einspritzer reagieren und bezüglich des Motorzyklus gesteuert werden können.
Zahlreiche Motorenkonzepte sind in dieser Hinsicht bereits unternommen worden. So kennt man Viertakt-Motoren mit gesteuerter Zündung, welche vier Ventile pro Zylinder, eine im Zylinderkopf auf der Längsachse des Zylinders angeordnete Kerze mit Einlassleitungen, welche im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgerichtet sind und Einmündungen haben, und bei welchen der Treibstoffeinspritzer direkt unterhalb der Einlassventile einmündet.
Der mit diesen Motoren verbundene Kolben weist gewöhnlich eine Aussparung von spezifischer Form auf, welche zum Kanalisieren des Einspritzstrahls und zum Verstärken der Gasbewegung in der Brennkammer dient.
Man kennt außerdem noch Motoren, bei denen der Kolben eine kugelförmige Schale (oder Aussparung) aufweist, welche am oberen Totpunkt, direkt gegenüber vom Treibstoffeinspritzer und von der Zündkerze, angeordnet ist. Die Patentanmeldung EP-A1-0 558 072 beschreibt einen Motor mit diesem Merkmal.
All diese Motoren weisen große Motorhubräume (Zylinderbohrungen oberhalb von 80 mm) auf und haben gewöhnlich vier Ventile pro Zylinder.
Man kennt auch Motoren vom selben Typ, welche jedoch drei Ventile pro Zylinder verwenden. Die Patentanmeldung EN.97/06731, welche im Namen des Anmelders eingereicht wurde, veranschaulicht ein spezielles Beispiel solcher Motoren.
Es ist auch, durch das Dokument US 5 327 864 , ein Motor bekannt mit einem ersten Zündmittel, welches in der Nähe des Einlassventils vorgesehen ist, wobei ein Treibstoffeinspritzelement in der Nähe und unterhalb von dem ersten Zündmittel angeordnet ist. Der Motor ist derart aufgebaut, dass die Einlassleitung, das Einspritzelement und das erste Zündelement in demselben Halbzylinder vorgesehen sind.
Die Motoren von diesem Typ ermöglichen eine schichtweise Verbrennung bei schwacher Last und/oder eine als homogen bezeichnete Verbrennung bei starken Lasten.
Die Verbrennung wird schichtweise genannt, wenn ein Bereich der Brennkammer ein reicheres Gemisch als der Rest der Kammer enthält, bei niedriger Last. Dies ermöglicht es, das Gemisch leichter zu zünden, da der mit Treibstoff angereicherte Bereich sich im wesentlichen in der Nähe der Kerze befindet.
Bei starken Lasten wird die homogen genannte Verbrennung vorbehandelt. Es geht also darum, ein sehr homogenes Gemisch in der gesamten Brennkammer zu haben.
Zur Zeit arbeiten die Motoren mit Direkteinspritzung fehlerfrei entweder in einem Modus oder in dem anderen. Es im Allgemeinen schwierig, die beiden Arbeitsmodi miteinander zu vereinen.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Art von Motoren, welche oben beschrieben wurde, und ermöglicht es, bestimmte der damit verbundenen Probleme zu lösen.
Genauer ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs, Dank einer Verminderung der Pumparbeit.
Außerdem werden Wärmeübertragungen in der und um die Brennkammer herum gemäß der vorliegenden Erfindung weitgehend herabgesetzt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Motoren mit Direkteinspritzung, mit schichtweiser Verbrennung, welche Zylinder von geringen Abmessungen, zwei Ventile und eine zentrale Ventilsteuerung haben.
Daher ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Viertakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung von Treibstoff, umfassend wenigstens eine Brennkammer, begrenzt durch einen Kolben, einen Zylinder und einen Zylinderkopf, eine Einlassleitung, verbunden mit einem Einlassventil, eine Auslassleitung, mit der ein Auslassventil zusammenwirkt, ein erstes Zündmittel, angeordnet in der Nähe des Einlassventils, ein Treibstoff-Einspritzelement, angeordnet in der Nähe und unterhalb des ersten Zündmittels, wobei die Einlassleitung, das Einspritzelement und das Einspritzelement und das erste Zündmittel in demselben Halbzylinder angeordnet sind.
Gemäß der Erfindung ist die Achse des Einspritzelements innerhalb von 60° zu der Ebene angeordnet, die die Längsachse des Zylinders enthält.
Außerdem weist die Oberseite des Kolbens ein Profil nahe jenem der Unterseite des Zylinderkopfs auf und der Kolben weist eine Aussparung auf, die in der Nähe des Bereichs angeordnet ist, wo das erste Zündmittel mündet.
Insbesondere weist die Aussparung in dem Kolben eine kugelförmige Form oder halbkugelförmige Form auf.
Im Einklang mit der Erfindung stehen sich das besagte Einlassventil und das Auslassventil einander diametral gegenüber.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Motor außerdem ein zweites Zündmittel.
Auf diese Weise ist das zweite Zündmittel in dem Halbzylinder angeordnet, der das Auslassventil enthält.
Genauer gesagt, ist das zweite Zündmittel neben dem Auslassventil angeordnet.
Weitere Eigenschaften, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden deutlicher erscheinen bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, welche zur Veranschaulichung dient und keineswegs einschränkend ist, unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen, auf welchen:
Die 1A ein vereinfachter Schnitt des oberen Abschnitts einer Brennkammer gemäß der Erfindung ist;
die 1B ein Querschnitt des oberen Abschnitts des Kolbens ist;
die 2 eine vereinfachte Perspektive des Bereichs Zylinderkopf-oberer Abschnitt des Kolbens ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
die 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist; und
die 4 eine vereinfachte Perspektive der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, auf Seiten des Zylinderkopfs.
Die 1A ist ein Schnitt entlang einer Ebene, welche durch die Achsen der Einlassleitung 1, des Einspritzers 2 und eines ersten Zündmittels 3 verläuft. Diese drei Elemente münden im oberen Teil der Brennkammer 4, welche auf herkömmliche Weise durch den Zylinderkopf, die Oberseite des Kolbens und den Zylinder (nicht dargestellt) begrenzt ist.
Die Auslassleitung 1 mündet über eine Öffnung 5 in der Brennkammer 4; wobei die besagte Öffnung 5 mittels eines Mittels wie z.B. einem Ventil 6 abgedichet ist.
Im Übrigen umfasst die vorliegende Erfindung eine Einlassleitung 7, welche über eine gesonderte Öffnung 8 in die Brennkammer einmündet. Ein intermittierendes Dichtungselement 9 wie z.B. ein Ventil ist mit der Einlassöffnung 8 verbunden.
Gemäß der Erfindung sind die Einlassleitung 7, der Einspritzer 2 und das erste Zündmittel 3 in demselben Halbzylinder an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet. Dies bewirkt eine gleichermaßen einfache Demontage des Einspritzers 2 wie auch des Zündmittels 3.
Im Übrigen ermöglicht es diese Anordnung, in der Brennkammer 4 eine sogenannte Swirlbewegung zu erzeugen, d.h. eine Rotationsbewegung der gasförmigen Strömung um die Zylinderachse herum.
Die 1B zeigt das Oberprofil des verbundenen Kolbens 10.
Dieses Profil kann auch auf der Perspektive der 2 erkannt werden.
Auf diese Weise umfasst die Oberseite des Kolbens 10 zwei Schrägen 11, 12, welche am oberen Abschnitt auf Höhe einer Kante 13 zusammenlaufen. Diese Form entspricht im Wesentlichen jener der Innenseite des Zylinderkopfes, welche ihrerseits dachförmig mit zwei Schrägen ist.
In der Nähe einer der Schrägen 11 mündet die Auslassleitung 1 auf der Rückseite des Fahrzeugs.
Auf der zweiten Schräge 12 münden die Einlassleitung 7 sowie der Einspritzer 2 und das erste Zündmittel 3, welche also alle zum selben Halbzylinder gehören, vorderseitig von dem Fahrzeug.
Vorzugsweise ist die Achse des Einspritzers 2 wenigstens 60° zu der die Längsachse des Zylinders enthaltenden Ebene angeordnet. Diese Stellung wird als "nahe" der Zylinderachse angesehen. Sie ermöglicht es, eine Verbrennung mehr im Zentrum der Brennkammer und somit einen besseren Wirkungsgrad der Verbrennung zu erhalten, da auf diese Weise effektiv ein minimaler Kontakt zwischen der Flamme und den Wänden der Brennkammer existiert.
Im Übrigen ist ein sphärischer Abschnitt 14 in der Oberseite des Kolbens 10 vertieft. Genauer gesagt ist diese Aussparung 14 gegenüber von dem Einspritzer 2 und von dem ersten Zündmittel 3 angeordnet, um die Schichtbildung des Treibstoffgemisches und der Luft im Innern der Brennkammer während des Betriebs mit einer verspäteten Zündung zu begünstigen, d.h. in der Nähe des oberen Totpunkts der Verbrennung.
Auf diese Weise schlägt die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit zwei Ventilen vor, dem einem für den Einlass, dem anderen für den Auslass und welcher gleichzeitig bei homogener Verbrennung und bei schichtweiser Verbrennung arbeiten kann. Dies ermöglicht wesentliche Verbesserungen bezüglich des Treibstoffverbrauchs.
Die Erfindung zielt insbesondere auf kleine Hubräume.
Die Nockenwelle, nicht dargestellt in den Figuren, ist mittig, d.h. im Wesentlichen oberhalb des höchsten Punktes der Brennkammer 4 angeordnet.
Da im Übrigen die Achse des Zündmittels 3 vorzugsweise "nahe" der die Zylinderachse enthaltenden Ebene ist, kann das Zündmittel selber in der unmittelbaren Nähe der Zylindermitte vorgesehen werden, was eine Maßnahme ist, welche zu einer Verbesserung der Verbrennung führt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein zweites Zündmittel 15 vorgesehen.
Die 3 und 4 veranschaulichen diese Ausführungsform.
Das zweite Zündmittel 15 mündet vorzugsweise in den zweiten Halbzylinder, welcher nicht den Einlass 7 noch den Einspritzer 2 und das erste Zündmittel 3 enthält. Das zweite Zündmittel 15 mündet also in denselben Halbzylinder wie die Abgasleitung 1, rückseitig von dem Fahrzeug.
Das zweite Zündmittel 15 ermöglicht eine Verbesserung der Verbrennung. Es wird bevorzugt verwendet, um Motorklingelphänomene bei starken Motorlasten zu vermeiden und ermöglicht auf diese Weise die Verwendung eines hohen Verdichtungsverhältnisses, wodurch der Wirkungsgrad des Motors begünstigt wird. Es verstärkt die Zündung im Zentrum der Brennkammer.
Es ermöglicht auch die Verwendung von verschobenen Zündvorstellungen zur Verbesserung der Verbrennung bei Betriebspeisen mit bezüglich der Stöchiometrie unvollkommenen Beschickungen.
Die 4 zeigt den Einsatz dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit zwei Zündmitteln (3 und 15).
Die Oberseite des Kolbens 10 weist vorzugsweise das oben beschriebene Profil auf, obwohl diese nicht zwingend verwendet werden muss.
Bezüglich des Einspritzers 2 wird dieser vorzugsweise einen verminderten, d.h. in der Größenordnung von 40°, Strahlwinkel aufweisen. Demgegenüber wird im Falle der Verwendung eines Einspritzers mit versetztem Fließen, d.h. mit einer von der Achse des Außenkörpers verschiedenen Hauptachse, der Einspritzwinkel nicht mehr durch das Problem der Benetzung der Wände des Zylinders begrenzt sein. Auf diese Weise kann der Treibstoffstrahl vorteilhaft in Richtung der Mitte der Brennkammer oder in Richtung eines der Zündmittel gerichtet werden.

Claims

Viertrakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung, umfassend wenigstens eine Brennkammer (4), begrenzt durch einen Kolben (10), einen Zylinder und einen Zylinderkopf, eine Einlassleitung (7), verbunden mit einem Einlassventil (9), eine Auslassleitung(1), mit der ein Auslassventil (6) zusammenwirkt, ein erstes Zündmittel (3), angeordnet in der Nähe des Einlassventils (9), ein Treibstoff-Einspritzelement (2), angeordnet in der Nähe und unterhalb des ersten Zündmittels (3); wobei die Einlassleitung (7), das Einspritzelement (2) und das erste Zündmittel in demselben Halbzylinder angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Einspritzelements (2) innerhalb von 60° zu der Ebene angeordnet ist, die die Längsachse des Zylinders enthält.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Kolbens (10) ein Profil nahe jenem der Unterseite des Zylinderkopfs aufweist und der Kolben eine Aussparung (14) aufweist, die in der Nähe des Bereichs angeordnet ist, wo das erste Zündmittel (3) mündet.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (14) in dem Kolben eine kugelförmige Form oder halbkugelförmige Form aufweist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (9) und das Auslassventil (6) diametral gegenüberstehen.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem ein zweites Zündmittel (15) umfasst.
Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zündmittel (15) in dem Halbzylinder angeordnet ist, der das Auslassventil (6) enthält.
Motor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zündmittel (15) neben dem Auslassventil (6) angeordnet ist.