DE2541214A1

DE2541214A1 - Mit ladungsschichtung betriebene, fremdgezuendete brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2541214A1
Application number: DE19752541214
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl Ing Renger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1975-09-16
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1977-04-07

Description

NACHC-Rl-IICHT j

Aktiengesellschaft ~

518 Wolfsburg

Unsere Zeichens K 2005
1702-pt-we-hr

Hit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine

Sie Erfindung bezieht sich auf eine mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit pro Zylinder jeweils einem Hauptbrennraum und einer über einen Verbindungskanal mit diesem in Verbindung stehenden Vorkammer, wobei dem E&uptbrennraum über einen durch ein Haupteinlaßventil gesteuerten Haupteinlaßkanal im wesentlichen reine Luft zugeführt wird und der Vorkammer über einen durch ein Hilfseinlaßventil gesteuerten Hilfseinlaßkanal ein mit Kraftstoff aus einer vor dem Hilf seinlaßventil angeordneten Kraft stoff einspritzvorrichtung stark angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird«

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Bauart (TTS-FS 2 884 913) erfolgt die Kraftstoffeinspritzung kontinuierlich, also auch zu einem Zeitpunkt, wenn das Hilf seinlaßventil geschlossen ist. Infolgedessen lagert sich vor dem Hilfseinlaßventil eine gewisse Menge an Kraftstoff an, die dann bei der Öffnung des Ventils in Form eines zunächst stark überfetteten Gemische in die Vorkammer eingebracht wird. Während der übrigen Ventilöffnungszeit gelangt dagegen nur ein relativ schwach angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer« Fun ergibt

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sich jedoch in Abhängigkeit von der im Bereich des Hilfseinlaß-

, ,sowie der Vorkammer -^

kanals/vorhandenen Temperatur der Brennkraftmaschine em unterschiedlicher Grad der Gemischaufbereitung, da die Verdampfung des Kraftstoffes desto besser erfolgt, je höher die Temperatur des Hilfsansaugkanales ist. Während daher bei relativ warmer Brennkraftmaschine sich relativ schnell ein gut aufbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet, ist die Kraftstoffaufbereitungszeit bei kälterer Brennkraftmaschine wesentlich langer. Wird nun, wie dies bei der bekannten Brennkraftmaschine vorgeschlagen wird, der Kraftstoff unabhängig von dem jeweiligen Temperaturzustand der Brennkraftmaschine kontinuierlich in den Hilfseinlaßkanal eingespritzt, dann kann der Pail auftreten, daS das bei warmer Brennkraftmaschine gut aufbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch wenigstens zu einem großen Teil durch die Vorkammer hindurch direkt in den Hauptbrennraum gesaugt wird, wodurch die Ausbildung- eines ausreichend kraft stoff reichen Gemisches in der Vorkammer infrage gestellt ist. Anders liegen dagegen die Verhältnisse im kalten Zustand der Brennkraftmaschine, da dann der unmittelbar vor dem Hilfseinlaßventil angelagerte Kraftstoff nur schlecht aufbereitet in die Vorkammer gelangt, wo es sich in flüssiger Form zunächst an den Wandungen niederschlägt und erst nach einiger Zeit verdampft, so daß sich für diesen Fall ein zu fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer ergibt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ausgehend von einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten, bekannten Bauart diese im Hinblick auf ihre Betriebsweise zu verbessern und einen sicheren Betrieb sowohl im kalten als auch im warmen Zustand zu gewährleisten. Darüber hinaus soll die Brennkraftmaschine im unteren und mittleren Lastbereich auf geringe Schadstoffemissionen und im höheren Lastbereich auf die Erreichung optimaler Spitzenleistung abgestimmt sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Kraft stoff einspritz vorrichtung hinsichtlich ihres Einspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Belastung und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine in der Weise

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steuerbar ist, daß der Einspritzbeginn mit steigender Belastung nach früher bzw. mit steigender !Temperatur nach später verlegt wird. Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Einspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Belastung und der Temperatur der Brennkraftmaschine wird also sichergestellt, daß immer ein ausreichend kraftstoffreiches und damit zündfähiges Gemisch zum Zündzeitpunkt in der Vorkammer vorhanden ist. Dabei wird mit steigender Belastung der Brennkraftmaschine der Einspritzzeitpunkt nach früher verlegt, um eine zunehmend homogenere Gemischverteilung in Hauptbrennraum und Vorkammer zu erreichen. Andererseits kann bei steigender Temperatur der Brennkraftmaschine und damit verbesserter Aufbereitung des Gemisches die Einspritzung später beginnen, damit das aufbereitete Gemisch nich zu einem zu großen Teil durch die Vorkammer unmittelbar in den Hauptbrennraum gesaugt werden kann, zumal bei Teillast und im Emissionstestbereich des Motorkennfeldes zur Niedrighaltung der Schadstoffemissionen eine ganz bestimmte, leicht fette Gemischkonzentration in der Vorkammer herrschen muß. ~

Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung sollen Mittel zur Steuerung des Arbeitsmitteldurchsatzes durch den Hilfseinlaßkanal in Abhängigkeit von der Selastvng und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, derart, daß der Durchsatz durch den Hilfseinlaßkanal im Verhältnis zum Luftdurchsatz durch den Haupteinlaßkanal mit steigender Belastung ebenso wie mit steigender Temperatur verringert wird. Danach wird also der Luftdurchsatz dusch den Hilf seinlaßkanal bei steigender Belastung bzw. bei steigender "Temperatur gedrosselt, damit bessere Leistungswerte der Brennkraftmaschine durch eine günstigere Füllung der Verbrennungsräume erzielt werden können. Da nämlich gemäß einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung der Hilfseinlaßkanal und/oder die Vorkammer eine Wärmeisolation aufweisen und zudem im Hilfseinlaßkanal eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wärme aus dem Abgas und/oder dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine an das den Hilfseinlaßkanal durchströmende Arbeitsmittel vorgesehen ist, ergibt sich zum Zwecke einer optimalen Gemischaufbereitung eine erhebliche Erwärmung des den Hilfseinlaßkanal durchströmenden Arbeitsmittels, was wegen der damit verbundenen Verschlechterung der Füllung schlechte

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Leistungsspitzenwerte ergeben würde. Dieser Nachteil kann bei höheren Leistungen bzw. bei höheren Temperaturen der Brennkraftmaschine dadurch vermieden werden, daß durch den Haupteinlaßkanal eine entsprechend größere Menge an nicht vorgewärmter Luft durchgesetzt wird. Me Drosselung des Durchsatzes durch den Hilfseinlaßkanal kann dabei durch eine im Hilf seinlaßkanal angeordnete Hilfsdrosselklappe erfolgen, die in Abhängigkeit von der Belastung und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine gegensinnig zu einer im Haupteinlaßkanal angeordneten Hauptdrosselklappe betätigbar ist. TJm im Bereich des Tollastbetriebspunktes der Brennkraftmaschine durch den Hilf seinlaßkanal eine genügend große Menge an Luft durchsetzen zu können, die jedenfalls so groß

diesem Falle durch in den

ist, daß sie die eingespritzte Kraftstoffmenge invaie vorkammer Hauptbrennraum

/zu transportieren in der Lage ist, kann im Hilf seinlaßkanal zusätzlich eine Luftpumpe vorgesehen sein. Im übrigen kann das Hilfseinlaßventil entweder als selbsttätig wirkendes Ventil, das durch den Druckunterschied zwischen der Vorkammer und dem Hilf seinlaßkanal entgegen einer Schließfeder betätigt wird, oder aber als ein entsprechend dem Haupteinlaßventil über einen Ventiltrieb betätigtes Ventil ausgebildet sein.

Die Steuersignale zur Steuerung der Durchsatzdrosselung des Hilf seinlaßkanals sowie des Einspritzzeitpunktes der Kraftstoff einspritzvorrichtung kann durch einen die Brennraumwand-Temperatur, z· B. die Temperatur der Vorkammer, erfassenden Temperaturfühler erfolgen·

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in einem schematischen Schaltbild eine erfindungsgeatäße, mit Schichtladung arbeitende Brennkraftmaschine.

Dabei ist mit 1 ein Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf ein mit 2 bezeichneter Hauptbrennraum eingeschlossen ist, in dem ein durch ein Haupteinlaßventil 4 gesteuerter Haupteinlaßkanal 3 einmündet. Zur Steuerung des Durchsatzes durch den Haupt-

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einlaßkanal 3 ist eine Hauptdrosselklappe 5 vorgesehen. Von diesem Hauptbrennraum 2 abgeteilt ist eine im Volumen kleinere Vorkammer 6, die im Zylinderkopf angeordnet ist und mit dem Hauptbrennraum über einen Verbindungskanal 7 verbunden ist. In die Vorkammer mündet ein durch ein Hilf seinlaßventil 9 gesteuerter Hilf seinlaßkanal 8 ein. Die Vorkammer weist zur Zündung der Zylinderladung auch eine, hier nicht weiter gezeigte Zündeinrichtung in form einer Zündkerze auf. Mit 10 ist eine in den Hilf seinlaßkanal kurz vor dem Hilf seinlaßventil 9 einmündende Einspritzdüse bezeichnet, die den gesamten zur Arbeitsleistung benötigten Kraftstoff in den Hilfseinlaßkanal 8 einspritzt. 11 stellt eine im Hilf seinlaßkanal 8 angeordnete Hilf sdrosaelklappe zur Drosselung des Durchsatzes durch die Hilf seinlaßleitung dar. 12 bezeichnet eine abgasbeaufschlagte Heizvorrichtung für den Hilf seinlaßkanal 8, die an die von der Brennkraftmaschine 1 wegführende Abgasleitung 15 angeschlossen ist.

In dem Hilf seinlaßkanal 8, der an einer Stelle 17 unterhalb eines Luftfilters 15 und eines Luftmengenmessers 16 in den Haupteinlaßkanal 3 einmündet, ist zur Sicherstellung des Durchsatzes im Bereich des Vollastbetriebspunktes der Brennkraftmaschine eine Luftpumpe 14 vorgesehen. Hit 18 ist schließlich eine Bypassleitung bezeichnet, die hinter der Heizvorrichtung 12 an den Hilf seinlaßkanal 8 angeschlossen ist und diesen mit dem Haupteinlaßkanal 3 verbindet. Diese Bypassleitung 18, die durch ein selbsttätiges Ventil 19 gesteuert wird, soll sicherstellen, daß die insbesondere bei instationärem Betrieb auftretende Überschußwärme dex Heizvorrichtung 12 ohne die Gefahr der Überhitzung der wärmeübertragenden Flächen abgeführt werden kann, und zwar auch dann,wenn der Durchsatz durch den Hilfseinlaßkanal 8 weitgehend gedrosselt ist«

20 stellt einen Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur der Vorkammer dar, der ebenso wie der Luftmengenmesser 16 und eine in die Abgasleitung 13 eingeschaltete Sonde 22 zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes im Abgas mit einer Segeleinrichtung 21 zur Steuerung des Zeitpunktes und der Menge des in den Hilfseinlaß-

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kanal 8 eingespritzten Kraftstoffe verbunden ist.

Die Funktion und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine soll nun nachfolgend näher beschrieben werden. Während des Ansaugtaktes der in herkömmlicher Weise beispielsweise nach einem Viertaktverfahren,arbeitenden Brennkraftmaschine tritt die Haupt ansaugluft durch das Haupteinl aß ventil 4 in den Haupt brennraum 2 ein. Gleichzeitig wird durch das geöffnete Hilfseinlaßventil 9 ein stark angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem durch die Hilfsdrosselklappe 11 und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme der Luftpumpe 14 abstimmbaren Vordruck in die Vor·» kammer 6 eingebracht. Dabei wird in den den Hilfseinlaßkanal 8 durchsetzenden Luftstrom, der lediglich die Aufgabe hat, die Vorkammer 6 zu spülen und zu einem genau regulierbaren Zeitpunkt die gesamte für den Arbeitstakt erforderliche Kraft stoff menge in Form einer im Luftstrom eingelagerten, sehr kraft stoff reichen Gemischwolke in den Brennraum einzubringen, mit Hilfe einer Niederdruckkraft st off einspritzanlage der Kraftstoff vor das kleinere Hilfseinlaßventil 9 eingespritzt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird dabei durch die Eegelvorrichtung 21 in Abhängigkeit von der durch den Luftmengenmesser 16 erfaßten Belastung der Brennkraftmaschine sowie in Abhängigkeit von dem durch die Sonde 22 ermittelten Sauerstoffgehalt im Abgas in Bichtung auf möglichst niedrige Schadstoffemissionen gesteuert. Zu diesem Zweck trägt auch bei, daß die durch den Hilfseinlaßkanal 8 strömende Luftmenge, die im Bereich» 17 von dem Haupteinlaßkanal 3 abgezweigt ist, .durch die mit Abgas und/oder Kühlwasser beaufschlagte Heizeinrichtung auf solche Temperaturen vorgewärmt wird, daß der von der Einspritzdüse 10 eingespritzte Kraftstoff möglichst gut aufbereitet werden kann. Darüber hinaus ist sowohl für den Hilf seinlaßkanal 8 als auch für die Vorkammer 6 selbst eine gute Wärmeisolation vorgesehen, die dazu beiträgt, daß insbesondere die Kaltstart- und Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine möglichst schnell beendet wird.

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Da jedoch die Vorwärmung des den Hilfseinlaßkanal 8 durchsetzenden, den Kraftstofftransport ausführenden Luftströme3 nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine erst mit einiger Verzögerung wirksam wird, wird nach der Erfindung der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung sowohl in Abhängigkeit von der Belastung als auch von einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine gesteuert. So wird bei niedrigen Brennraum-Temperaturen, die durch den Temperaturfühler 20, z.B. im Bereich der Vorkammer, erfaßt werden, die Einspritzung nach früh und bei steigenden Temperaturen nach spät verstellt. Gleichzeitig wird der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der mit dem Luftmengenmesser 16 erfaßten Belastung der Brennkraftmaschine in der Weise gesteuert, daß bei hoher Belastung der Einspritzbeginn nach früh und bei niedriger Belastung nach spät verstellt wird. Dadurch wird für jeden Betriebszustand die günstigste Gemischzusammensetzung in den beiden Brennraumteilen einschließlich guter Kaltstartbedingungen und hoher Spitzenleistungen bei niedrigen Schadstoffemissionen im Abgas erreicht, wozu neben der Einspritzzeitpunktsteuerung noch eine Steuerung des Luftdurchsatzes durch den Hilfseinlaßkanal 8 unterstützend eingreift. So wird mit Hilfe der Hilf3-drosselklappe 11 der Durchsatz durch den Hilfseinlaßkanal 8 mit steigender Temperatur und steigender Belastung gedrosselt und gleichzeitig der Durchsatz durch den Haupteinlaßkanal 3 durch Öffnung der Hauptdrosseiklappe 5 erhöht, so daß durch eine relative Erhöhung der Zufuhr an verhältnismäßig kalter Frischluft in die Brennraumteile die Füllung und damit die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht wird. Die Drosselung des Durchsatzes durch den Hilfseinlaßkanal 8 kann dabei soweit getrieben-werden, daß der verbleibende Durchsatz gerade noch ausreicht, um die vor das Hilfseinlaßventil 9 eingespritzte Kraftstoffmenge sicher durch die Vorkammer 6 in den Hauptbrennraum zu transportieren. Für den Fall, daß im Bereich der Vollast der Brennkraftmaschine das Druckniveau im Hilf seinlaßkanal 8 nicht mehr ausreicht, um nahezu den gesamten Kraftstoff durch die Vorkammer in den Hauptbrennraum einzubringen, ist die Luftpumpe I4 vorgesehen, die auch bei solchen Motorkonstruktionen erforderlich ist, bei denen die Einlaßventile relativ klein ausgeführt sind und, was ebenfalls möglich ist, wegen des Fehlens einer mechanischen Steuerung

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dem Trägerluft strom einen zu hohen Strömungswiderstand entgegenstellen würden. Bei Verzicht auf eine Höchstleistung der Brennkraftmaschine und bei entsprechend ausgebildeten Hilfseinlaßventilen kann durchaus auch auf die Luftpumpe I4 verzichtet werden. Bei Teillast der Brennkraftmaschine ist also der den Haupteinlaßkanal 3 durchsetzende Luftstrom mehr oder weniger stark gedrosselt, während er bei Erreichen der Spitzenleistung der Brennkraftmaschine ungedrosselt in den Hauptbrennraum 2 gelangt. Gleichzeitig ist der Gemischträgerluft strom durch den Hilfseinlaßkanal 3 auf einen solchen Druck eingestellt, daß er bei je nach den vorhandenen Betriebsverhältnissen unterschiedlich eingestelltem Kraftstoff einspritzbeginn ausreicht, die volle erforderliche Kraftstoffmenge für die richtige Gemischaufteilung in beide Brennraumteile zu schieben. Während bei Teillast und kalter Maschine der Anteil der durch den Hilf seinlaßkanal 8 geströmten und vorgewärmten Luft überwiegt, wird bei Spitzenlast der Brennkraftmaschine die Füllung des Zylinderraumes zum größtmöglichen Teil aus kalter Luft vom Haupteinlaßkanal 3 bestehen, während der warme Trägerluft strom auf das zur Kraft stoff einbringung gerade noch nötige Maß gedrosselt ist.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit pro Zylinder jeweils einem Haupt brennraum und einer über einen Yerbindungskanal mit diesem in Verbindung stehenden Vorkammer» wobei dem Hauptbrennraum über einen durch ein Haupteinlaßventil gesteuerten Haupteinlaßkanal im wesentlichen reine Luft zugeführt wird und der eine Zündvorrichtung aufweisenden Vorkammer über einen durch ein Hilf se inlaßvent il gesteuerten Hilfseinlaßkanal ein mit Kraftstoff aus einer vor dem Hilfseinlaßventil angeordneten Kraftstoffeinspritzvorrichtung stark angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft stoff einspritzvorrichtung (10, 21) hinsichtlich ihres Einspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Belastung und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine in der Weise steuerbar ist, daß der Einspritzbeginn mit steigender Belastung nach früher und mit steigender Temperatur nach später verstellt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (11, 14) zur Steuerung des Arbeitsmitteldurchsatzes durch den Hilf seinlaßkanal (8) in Abhängigkeit von der Belastung und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, derart, daß der Durchsatz durch den Hilf seinlaßkanal im Verhältnis zum* Luftdurchsatz durch den Haupteinlaßkanal (3) mit steigender Belastung ebenso wie mit steigender Temperatur verringert wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daiä im Hilfseinlaßkanal (8) eine Hilfsdrosselklappe (11) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der Belastung und einer charakteristischen Temperatur der Brennkraftmaschine gegensinnig zu einer im Haupteinlaßkanal (3) angeordneten Hauptdrosselklappe (5) betätigbar ist.

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4· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß im Hilf seinlaßkanal (8) eine den Durchsatz im Bereich des Vollastbetriebspunktes erhöhende Luftpumpe (14) vorgesehen ist.

5· Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgabe von Steuersignalen ein die Brennraumwandtemperatur erfassender Temperaturfühler (20) vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilf seinlaßkanal (β) und/oder die Vorkammer (6) eine Wärmeisolation aufweisen.

7« Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine von Abgas und/oder Kühlwasser beaufschlagte Vorrichtung zur Zufuhr von Wärme (12) an das den Hilf seinlaßkanal (8) durchströmende Arbeitsmittel vorgesehen ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfseinlaßventil (9) als selbsttätig wirkendes Ventil ausgebildet ist.

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