-
Die
Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit
zumindest zwei Einlasskanälen
pro Zylinder, von denen einer als Neutralkanal und der andere vorzugsweise
als Tangentialkanal ausgebildet ist, wobei im Neutralkanal vorzugsweise
ein Absperrorgan angeordnet ist, und wobei eine erste Einspritzvorrichtung
zur indirekten Kraftstoffeinspritzung in beide Einlasskanäle einmündet, wobei
zusätzlich
eine zweite, in den Brennraum mündende
Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung
vorgesehen ist.
-
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 Ausführungsvariante
ist die Einspritzvorrichtung mittig zwischen den beiden Einlasskanälen angeordnet und
spritzt über
ein Fenster zwischen den beiden Einlasskanälen Kraftstoff in beide Einlasskanäle 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 Spiralkanal
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 Spiralkanals gerichtet. Eine derartige exzessive
Benetzung des Einlassventils hat allerdings den Nachteil, dass die
Verbrennungs- und Emissionsqualität verschlechtert wird. Da mit
der indirekten Kraftstoffeinspritzung nur in einen der beiden Einlasskanäle eingespritzt
wird, kann bei Volllast ein nur relativ geringer Mitteldruck erzielt
werden.
-
Die
Veröffentlichungen
JP 61-250364 A,
GB 2
311 327 A und
US
5,357,925 A offenbaren Brennkraftmaschinen, wobei pro Zylinder
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur indirekten und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
zur direkten Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.
-
Weiters
sind direkt einspritzende Otto-Brennkraftmaschinen bekannt, die über den
gesamten Motorbetriebsbereich, also sowohl im Leerlauf als auch
im Vollastbetrieb Kraftstoff über
Einspritzdüsen
direkt in den Brennraum einbringen. Diese Brennkraftmaschinen werden üblicherweise
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 arbeiten diese Motoren
geschichtet, also mager (Lambda größer 1), weshalb (Sauerstoffüberschuss)
eine Reduktion von Stickoxiden (NOx) 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 Volllast 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 Brennkraftmaschine
die Vorteile von direkter und indirekter Kraftstoffeinspritzung
zu vereinigen.
-
Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung
nur bei einem Zylinder bzw. einer Gruppe von Zylindern vorgesehen
ist. Dies ermöglicht
eine deutliche Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches.
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 Kraftstoffeinspritzvorrichtung
einmündet.
Der oder die anderen Zylinder laufen geschleppt mit. Dadurch erhöht sich
für die
gefeuerten Zylinder der indizierte Mitteldruck, der spezifische
Kraftstoffverbrauch sinkt. Zusätzlich
können
die Kosten für
weitere zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen eingespart werden.
Die Brennkraftmaschine wird dabei nur im Leerlauf und im leerlaufnahen
Bereich als direkt einspritzende Brennkraftmaschine betrieben. Die
NOx-Emission ist im Leerlauf gering, und
daher muss kein Denox-Katalysator verwendet werden. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsvariante
ist dabei vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich
geschichtet mager und im Teillast- und Vollastbereich homogen stöchiometrisch
oder fett betrieben wird. Dadurch 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 Volllast ein hoher Mitteldruck erreicht werden.
-
Die
zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann relativ klein und damit
kostengünstig
ausgelegt 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
angeordnet ist. Eine besonders hohe Verbrennungsqualität ergibt
sich, wenn die zweite Kraftstoffeinspritzung etwa zur Zylindermitte
gerichtet ist, und eine unbehinderte direkte Kraftstoffeinspritzung
in den Brennraum ermöglicht. Dies
ermöglicht
eine Kraftstoffeinspritzung in Richtung der Zündeinrichtung, wobei die Lage
und Ausrichtung der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung hinsichtlich
des geschichteten Betriebes im Leerlauf optimiert werden können. In
einer sehr platzsparenden Ausführungsvariante
ist dabei vorgesehen, dass die zweite Einspritzvorrichtung – in Richtung
der Motorlängsachse
gesehen – auf
der der Zylinderkopfdichtebene zugewandten Seite der Einlasskanäle angeordnet
ist.
-
Um
während
des Betriebes mit indirekter Einspritzung einen möglichst
geringen Kraftstoffverbrauch 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
Saugrohreinspritzsystemen – 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 Neutralkanal und einer als Tangentialkanal ausgebildet ist,
wobei im Neutralkanal vorzugsweise eine Abschalteinrichtung vorgesehen
ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung
zwischen dem Neutralkanal und dem Tangentialkanal angeordnet ist,
und die Einspritzung im Bereich einer Öffnung zwischen dem Neutral-
und dem Tangentialkanal in beide Einlasskanäle erfolgt.
-
Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen
Schnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der Linie
I-I in 2,
-
2 eine
Draufsicht auf diesen Zylinder und
-
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 Auslasskanäle 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 Neutralkanals ist in 2 mit Pfeil 21 angedeutet.
Der Tangentialkanal hingegen erzeugt eine Drallströmung 22 um
die Zylinderachse 1a. Die Mittelachse 8a des Tangentialkanals 8 schließt dabei
mit der Zylinderachse 1a einen größeren Winkel 8b ein,
als die Mittelachse 7a des Neutralkanals. Der diesbezügliche Winkel
zwischen der Mittelachse 7a und der Zylinderachse 1a ist
mit 7b bezeichnet.
-
Im
Bereich der Einmündung
in den Brennraum 6 schließt die Mittellinie 7a des
als Neutralkanal ausgebildeten Einlasskanals 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
Verbindungslinie 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 definierter 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 Kraftstoffeinspritzeinrichtung 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 Zylindermitte gerichtet ist.
-
Die
Brennkraftmaschine weist weiters ein Abgasrückführsystem 21 auf, um
Abgas in bestimmten Motorbetriebsbereichen aus dem Auslaßsystem 22 in
das Einlaßsystem 23 zurückzuführen. 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. deaktivierbar ist, und mündet
in einen Abgasrückführsammler 26.
Vom vorteilhafterweise kleinvolumig ausgeführten Abgasrückführsammler 26 zweigen Abgasverteilerleitungen 27 ab
und münden
jeweils in einen Einlaßkanal 8 jedes
Zylinders 1, wobei vor dem Eintritt in den Einlaßkanal 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 Brennkraftmaschine 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 Kraftstoffeinspritzeinrichtung 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 Zyklusverbräuche,
wie bei einer konventionellen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine
erzielen, ohne deren Nachteile, wie hohe Herstellkosten und aufwendige
Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.
-
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 einmündet. Die übrigen Zylinder
laufen geschleppt mit. Dadurch läßt sich
eine weitere Verminderung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauches
im Leerlaufbereich erzielen. Außerdem können Kosten
für weitere
zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 15 eingespart werden.