DE19853375A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest zwei Einlaßkanälen pro Zylinder, von denen einer als Neutralkanal und der andere vorzugs­ weise als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise ein Absperr­ organ angeordnet ist, und wobei eine erste Einspritzvorrichtug zur indirekten Kraftstoffein­ spritzung in beide Einlaßkanäle einmündet.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit indirekter Kraftstoffeinspritzung ist aus der AT 402 535 B bekannt. Die Brennkraftmaschine weist zwei Einlaßkanäle pro Zylinder auf, von denen einer als Neutralkanal und der andere als Tangentialkanal ausgebildet ist. Die Kraftstoffeinspritzung kann dabei in einen oder in beide Einlaßkanäle erfolgen, wobei pro Einlaßkanal eine Einspritzvorrichtung vorgesehen sein kann. In einer weiteren Ausführungs­ variante ist die Einspritzvorrichtung mittig zwischen den beiden Einlaßkanälen angeordnet und spritzt über ein Fenster zwischen den beiden Einlaßkanälen Kraftstoff in beide Einlaßka­ näle ein. Untersuchungen haben gezeigt, daß mit einer derartigen Brennkraftmaschine ab dem unteren Teillastbereich Kraftstoffverbräuche erzielt werden können, die mit einer Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzenden Brennkraftmaschine vergleichbar sind, insbesondere; wenn der Motor mit hohen Abgasrückführraten betrieben wird. Im Leerlaufbereich lassen sich keine Verbrauchsvorteile durch Abgasrückführung erzielen, da die Verbrennung im Leerlauf keine Abgasrückführung toleriert.

Aus der US 5 357 925 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Neutralkanal und einem Spi­ ralkanal pro Zylinder bekannt, bei der eine Kraftstoffeinspritzung in den Neutralkanal und eine andere Kraftstoffeinspritzeinrichtung in den Brennraum mündet. Der Kraftstoffstrahl der direkt in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist auf das Einlaßventil des Spiralkanales gerichtet. Eine derartige exzessive Benetzung des Einlaßventiles hat aller­ dings den Nachteil, daß die Verbrennungs- und Emissionsqualität verschlechtert wird. Da mit der indirekten Kraftstoffeinspritzung nur in einen der beiden Einlaßkanäle eingespritzt wird, kann bei Vollast ein nur relativ geringer Mitteldruck erzielt werden.

Weiters sind direkt einspritzende Otto-Brennkraftmaschinen bekannt, die über den gesamten Motorbetriebsbereich, also sowohl im Leerlauf als auch im Vollastbetrieb Kraftstoff über Ein­ spritzdüsen direkt in den Brennraum einbringen. Diese Brennkraftmaschinen werden übli­ cherweise im Leerlauf und im unteren Teillastbereich geschichtet mit einer Einspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt und im übrigen Betriebsbereich homogen mit einer Einspritzung lange vor dem oberen Totpunkt der Zündung betrieben. Insbesondere im Teillastbereich ar­ beiten diese Motoren geschichtet, also mager (Lambda größer 1), weshalb (Sauerstoffüberschuß) eine Reduktion von Stickoxiden (NO_x) mit einem Dreiwegkatalysator nicht möglich ist. Es ist eine aufwendige Stickoxidnachbehandlung, beispielsweise mit einem Denox-Katalysator, notwendig. Da die Einspritzdüsen den gesamten Betriebsbereich vom Leerlauf bis zur Vollast des Motors in Hinblick auf Durchflußmengen, Einspritzdruck und Temperaturen tolerieren müssen, sind diese Einspritzsysteme vergleichsweise aufwendig und teuer. Andererseits kann mit direkter Kraftstoffeinspritzung ein extremer Magerbetrieb im unteren Betriebsbereich des Motors realisiert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschi­ ne die Vorteile von direkter und indirekter Kraftstoffeinspritzung zu vereinigen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum mündende Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist. Dabei ist vorgesehen, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraftstoffeinspritzung und im Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Die Brenn­ kraftmaschine wird dabei nur im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich als direkt einspritzen­ de Brennkraftmaschine betrieben. Die NO_x-Emission ist im Leerlauf gering, und daher muß kein Denox-Katalysator verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvari­ ante ist dabei vorgesehen, daß die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch oder fett betrieben wird. Da­ durch lassen sich Zyklusverbräuche, wie bei einem direkt einspritzenden Motor erzielen, ohne die Nachteile der hohen Kosten und der Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen. Da die erste Einspritzvorrichtung in beide Einlaßkanäle Kraftstoff einspritzt, kann bei Vollast ein hoher Mitteldruck erreicht werden.

Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann relativ klein und damit kostengünstig ausge­ legt werden, da sie nur die sehr geringen Einspritzmengen im Leerlaufbetrieb verarbeiten muß und der Kraftstoffeinspritzdruck im Leerlauf deutlich niedriger ist als bei konventionellen direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen im gesamten Betriebsbereich. In Verbindung mit der bekanntermaßen kostengünstigen indirekten Einspritzung in das Einlaßsystem können die Vorteile von direkter und indirekter Einspritzung somit voll ausgenützt und die Nachteile und Schwächen jedes der beiden Systeme vermieden werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mündung der zweiten Kraftstoffeinspritzung seitlich in einer dachförmigen Brennraumdeckfläche ange­ ordnet ist. Eine besonders hohe Verbrennungsqualität ergibt sich, wenn die zweite Kraftstof­ feinspritzung etwa zur Zylindermitte gerichtet ist, und eine unbehinderte direkte Kraftstoffein­ spritzung in den Brennraum ermöglicht. Dies ermöglicht eine Kraftstoffeinspritzung in Rich­ tung der Zündeinrichtung, wobei die Lage und Ausrichtung der zweiten Kraftstoffeinsprit­ zeinrichtung hinsichtlich des geschichteten Betriebes im Leerlauf optimiert werden können. In einer sehr platzsparenden Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, daß die zweite Einspritz­ vorrichtung - in Richtung der Motorlangsachse gesehen auf der der Zylinderkopfdichtebene zugewandten Seite der Einlaßkanäle angeordnet ist.

Um während des Betriebes mit indirekter Einspritzung einen möglichst geringen Kraftstoff­ verbrauch zu erreichen, ist vorgesehen, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich (Direkteinspritzung) und im Teillastbereich (Saugrohreinspritzung) eingeschaltet wird. Durch die Direkteinspritzung im Leerlaufbetrieb ist es - zum Unterschied zu herkömmlichen Saug­ rohreinspritzsystemen - möglich, auch im Leerlauf Abgasrückführung zu verwenden, was sich weiter vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Durch die Abgasrückführung lassen sich ab dem unteren Teillastbereich Verbräuche erzielen, welche mit direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen durchaus vergleichbar sind. Dies ist insbesondere bei saugsynchroner Einspritzung und bei Brennkraftmaschinen mit hoher Abgasrückführtoleranz möglich. Dies sind Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Einlaßkanälen, von denen einer als Neutral­ kanal und einer als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise eine Abschalteinrichtung vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Kraft­ stoffeinspritzvorrichtung zwischen dem Neutralkanal und dem Tangentialkanal angeordnet ist, und die Einspritzung im Bereich einer Öffnung zwischen dem Neutral- und dem Tangential­ kanal in beide Einlaßkanäle erfolgt.

Um eine weitere Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches im Leerlaufbe­ reich zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffeinsprit­ zung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt. Dabei wird nur in einen bzw. in eine Gruppe von Zylindern eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingebaut. Im Leerlaufbetrieb werden nur Zylinder gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffein­ spritzvorrichtung einmündet. Der oder die anderen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch erhöht sich für die gefeuerten Zylinder der indizierte Mitteldruck, der spezifische Kraftstoff­ verbrauch sinkt. Zusätzlich können die Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrich­ tungen eingespart werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Zylinder und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Zylinderreihe.

In einem Zylinder 1 ist ein hin und her gehender Kolben 2 angeordnet. Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 beschreibt zusammen mit der durch den Zylinderkopf gebildeten dachförmigen Brennraumdecke 5 einen Brennraum 6, in welchen zwei Einlaßkanäle 7, 8 und zwei Auslaß­ kanäle 9 einmünden. Der Einlaßkanal 7 ist dabei als Neutralkanal und der Einlaßkanal 8 als Tangentialkanal ausgebildet. Unter Neutralkanal ist dabei ein Kanal zu verstehen, der im Brennraum weder eine Drall- noch eine Tumblebewegung induziert. Die Strömung des Neu­ tralkanales ist in Fig. 2 mit Pfeil 21 angedeutet. Der Tangentialkanal hingegen erzeugt eine Drallströmung 22 um die Zylinderachse 1a. Die Mittelachse 8a des Tangentialkanales 8 schließt dabei mit der Zylinderachse 1a einen größeren Winkel 8b ein, als die Mittelachse 7a des Neutralkanales. Der diesbezügliche Winkel zwischen der Mittelachse 7a und der Zylin­ derachse 1a ist mit 7b bezeichnet.

Im Bereich der Einmündung in den Brennraum 6 schließt die Mittellinie 7a des als Neutralka­ nal ausgebildeten Einlaßkanales 7 mit einer Verbindungslinie zwischen Zylindermitte und Ventilmitte einen Winkel 7c ein, der kleiner ist, als ein entsprechender Winkel 8c zwischen der Mittellinie 8a des als Tangentialkanal ausgebildeten Einlaßkanales 8 und einer Verbin­ dungslinie zwischen der Zylindermitte und der entsprechenden Ventilmitte.

Im Einlaßkanal 7 ist ein Absperrorgan 10 angeordnet, welches vorzugsweise definierte Leckageöffnungen 10a aufweist,, durch welche im geschlossenen Zustand ein genau definier­ ter Leckagevolumenstrom möglich ist.

Mit 11 sind Einlaßventile, mit 12 Auslaßventile bezeichnet.

Im Bereich der Zylinderachse 1a ist eine Zündeinrichtung 13 im Bereich des Giebels der dachförmigen Brennraumdecke 5 positioniert.

Der Einlaßkanal 7 und der Einlaßkanal 8 sind über eine Öffnung 14 miteinander verbunden. Im Bereich der Öffnung 14 ist zwischen dem Einlaßkanal 7 und dem Einlaßkanal 8 eine erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen, welche in dem Ausführungsbeispiel im Bereich der Motorquerebene 16 angeordnet ist und Kraftstoff 17 in jeden der beiden Einlaßkanäle 7, 8 einspritzt. Auf der der Zylinderkopfdichtebene 18 zugewandten Seite der beiden Einlaßkanäle 7, 8, also zwischen Einlaßkanälen 7, 8 und dem Zylinderblock, ist eine zweite Kraftstoffein­ spritzeinrichtung 19 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 6 vorgesehen, Die Mündung 19a der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 ist dabei seitlich am Rand des Brennraumes 6 angeordnet, wodurch der Kraftstoffstrahl 20 etwa radial im Bereich der Zylin­ dermitte gerichtet ist.

Die Brennkraftmaschine weist weiters ein Abgasrückführsystem 21 auf, um Abgas in be­ stimmten Motorbetriebsbereichen aus dem Auslaßsystem 22 in das Einlaßsystem 23 zurück­ zuführen. Das Abgasrückführsystem weist dabei mindestens eine Abgasrückführleitung 24 auf, welche direkt von einem Auslaßkanal 9 ausgehen kann. In der Abgasrückführleitung 24 ist ein Steuerorgan 25 angeordnet, mit welchem die Abgasrückführung aktivierbar bzw. deak­ tivierbar ist, und mündet in einen Abgasrückführsammler 26. Vom vorteilhafterweise klein­ volumig ausgeführten Abgasrückführsammler 26 zweigen Abgasverteilerleitungen 27 ab und münden jeweils in einen Einlaßkanal 8 jedes Zylinders 1, wobei vor dem Eintritt in den Ein­ laßkanal 8 eine Drossel 28 mit definiertem Strömungsquerschnitt angeordnet sein kann.

Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 kann kleiner dimensioniert sein, als die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15, da sie nur im Bereich des Leerlaufes der Brennkraftmaschi­ ne aktiviert wird. Während dem Leerlaufbetrieb ist die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 deaktiviert.

Außerhalb des Leerlaufbereiches, also im Teillast- und Vollastbereich, wird dagegen die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 aktiviert und die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 19 ausgeschaltet. Es erfolgt somit nur mehr indirekte Kraftstoffeinspritzung in die Einlaßkanäle 7, 8.

Im Leerlauf und im leerlaufnahen Bereich wird somit der Motor durch die zweite Kraftstoff­ einspritzeinrichtung 19 geschichtet und mager (λ < 1), im übrigen Betriebsbereich dagegen durch die erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 mit einem stöchiometrischen Verhältnis von λ = 1 oder fett (λ < 1) mit hoher Abgasrückführung betrieben. Dadurch lassen sich Zyklus­ verbräuche, wie bei einer konventionellen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine erzielen, ohne deren Nachteile, wie hohe Herstellkosten und aufwendige Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der nur bei einem Teil der Zylinder 1 eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 15 vorgesehen ist. Im Leerlaufbetrieb werden nur Zylinder 1 gefeuert betrieben, in welchen eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 15 ein­ mündet. Die übrigen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch läßt sich eine weitere Vermin­ derung der Emissionen und des Kraftstoffiverbrauches im Leerlaufbereich erzielen. Außerdem können Kosten für weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 15 eingespart werden.

Claims (10)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit zumindest zwei Einlaßkanälen (7, 8) pro Zylinder (1), von denen einer als Neutralkanal und der andere vorzugsweise als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise ein Absperror­ gan (10) angeordnet ist, und wobei eine erste Einspritzvorrichtung (15) zur indirekten Kraftstoffeinspritzung in beide Einlaßkanäle (7, 8) einmündet, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich eine zweite, in den Brennraum (6) mündende Kraftstoffeinspritzvor­ richtung (19) zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (19a) der zweiten Kraftstoffeinspritzung (19) seitlich in einer dachförmigen Brennraum­ deckfläche (5) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) für kleinere Kraftstoffmengen ausgelegt ist als die er­ ste Kraftstoffeinspritzvorrichtung (15).

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einspritzvorrichtung (19) - in Richtung der Motorlängsachse gesehen - auf der der Zylinderkopfdichtebene (18) zugewandten Seite der Einlaßkanäle (7, 8) angeord­ net ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren Zylindern, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (19) nur bei einem Zylinder bzw. einer Gruppe von Zylindern vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftstoffeinspritzung (19) etwa zur Zylindermitte gerichtet ist und eine un­ behinderte direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (6) ermöglicht.

7. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich eine direkte Kraft­ stoffeinspritzung und im Teillast- und/oder Vollastbereich eine indirekte Kraftstoffein­ spritzung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch oder fett betrieben wird,

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, mit Rückführung des Abgases in den Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung im Leerlaufbereich und im Teil­ lastbereich eingeschaltet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlaufbereich die direkte Kraftstoffein­ spritzung nur in einen Zylinder oder in eine Gruppe von Zylindern erfolgt.