DE2757648A1

DE2757648A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2757648A1
Application number: DE19772757648
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl Ing Dr Eckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1979-06-28
Also published as: DE2757648C2; JPS633129B2; JPS5491608A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer solchen bekannten Brennkraftmaschine ist der über den Kolben in den Zylindern eingeschlossene Brennraum am Ende des Kompressionshubs in der seitlichen Erstreckung auf den Zylinderdurchmesser beschränkt und durch jeweils einen Zwischensteg in zwei symmetrische scheibenförmige Teilbrennräume mit nierenförmigem Querschnitt aufgeteilt, deren Decke durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und zum Teil durch die dort angeordneten Ventilteller des Einlaßventils bzw. des Auslaßventils gebildet ist. Diese Ausgestaltung dient dem Ziel, eine Ladungsschichtung zu erhalten. Dabei wird der Kraftstoff mittels einer im Saugrohr angeordneten Einspritzdüse während der zweiten Hälfte des Ansaugtaktes eingespritzt und durch den Ansaugstrom über das Einlaßventil in den einen Teilbrennraum eingebracht. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß der Kraftstoff vorwiegend in dem dem Einlaßventil zugeordneten Teilbrennraum verbleibt, in dem auch die Zündkerze angeordnet ist. Um eine solche Gemischtrennung einzuhalten, wird bei dem bekannten Stand der Technik verlangt, daß die in den Brennraum einströmende Luft möglichst drall und wirbelfrei ist.

Die Einspritzung des Kraftstoffs in das Saugrohr hat dabei den Nachteil, daß zwischen Einspritzstelle und Einlaßventil ein Pufferraum vorhanden ist, durch den eine exakte Zeitsteuerung für den Einspritzvorgang nicht eingehalten werden kann. Je nach Last und Drehzahl ändern sich die Zeiten, bis der Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Andererseits besteht die Möglichkeit, daß Kraftstoff nach Schließen des Einlaßventils noch weiterhin in das Saugrohr abgegeben wird und dort vorgelagert wird, so daß während des nächsten Ansaugtaktes hier bereits Teilkraftstoffmengen

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in den Brennraum kommen, die gerade jene gewünschte Schichtung wenigstens zum Teil verhindern. Ferner ist die Forderung nach einer drallfreien Zuströmung dei· Ansaugluft kaum durchführbar. Um den Einspritzzeitpunkt genauer zu beherrschen, wurde bereits vorgeschlagen, den .Kraftstoff mittels einer mit dem Einlaßventil kombinierten Einspritzdüse einzubringen, bei dem der Einspritzvorgang durch die Öffnungsbewegung des Einlaßventils gesteuert wird. Dabei erfolgt die Einspritzung direkt am Ventilteller vorbei in den Brennraum. Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß jene geforderte s.päte Einspritzung unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils nicht verwirklichbar ist

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Ort der Einspritzung sowie der Zeitpunkt und die Dauer der Einspritzung wesentlich genauer kontrolliert werden können und daß die Voraussetzungen für eine Ladungsschichtung besser eingehalten werden können. Die mit einem etwas höheren Einspritzdruck als der des bekannten Saugrohreinspritzventils arbeitende Einspritzdüse ermöglicht eine gezielte Einspritzung des nahezu gesamten Kraftstoffs direkt in den Brennraum. Dadurch kommt die gesamte Einspritzmenge erst im Brennraum zur Verdampfung, so daß die gesamte für die Verdampfung benötigte Energie der Innenkühlung des Brennraums zugute kommt. Aufgrund dieser Innenkühlung ist es entsprechend möglich, durch bessere Füllung die Leistung zu erhöhen. Das damit weiterhin erreichbare Hinausschieben der Klopfgrenze in Richtung kraftstoffärmerer Betriebsgemische ermöglicht eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades.

Die genaue Einspritzung und die Möglichkeit der genauen Zeitsteuerung erhöhen bei kurzer Einspritzdauer den Grad

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der Kraftstoffkonzentration im scheibenförmigen Teilbrennraum. Die Anordnung des Brennraums im Zylinderkopf, also nicht im sich bewegenden Kolben hat den Vorteil, daß die sich ständig ändernde Stellung des Kolbens keinen wesentlichen und insbesondere nachteiligen Einfluß auf die Gemischbildung in dem Teilbrennraum hat. Die Auslegung der Winkellage der Einspriczstranlen. kann so erfolgen, daß in Bezug auf die Einspritzstelle sich eine weitgehende Gleichverteilung des eingespritzten Kraftstoffes am Umfang des Einlaßventils ergibt.

Durch in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Ausführung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Saugleitung so ausgebildet ist, daß die in den Brennraum einströmende Luft einen Drall bekommt, wobei die Achse des Einlaßventils koaxial zur Achse des scheibenförmigen Teilbrennraumes ist. Aufgrund dieser Konstruktion erhält die in den Teilbrennraum eintretende Luft einen starken Drall der eine Schichtung von kraftstoffreichem Gemisch gegenüber kraftstoffarmen Gemisch ermöglicht.

Zeichnung

Ein Ausührungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes und des Zylinders einer Brennkraftmaschine und Fig. 2 einen Querschnitt dazu durch den Teilbrennraum.

Beschreibung

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 als Schnitt gezeigt, der durch die Achse der sich anschließenden Zylinderbohrung 3 bzw. des darin in bekannter Weise bewegbaren Kolbens 4 geht. Zwischen dem Kolben, der sich im gezeigten Beispiel in

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seiner oberen Totpunktlage befindet, und dem Zylinderkopf 1 wird das Kompressionsendvolumen des Brennraums eingeschlossen. Der Kolbenboden 6 ist im wesentlichen eben und weist ggfs. Ausnehmungen 8 für eine ungehinderte Durchführung des Öffnungshubs von Auslaßventilen 9 auf. Wie dem Schnitt gemäß Fig. 2 zu entnehmen ist, sind zwei konventionelle Auslaßventile 9 vorgesehen, wobei die Ventilteller 10 noch innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungsdurchmessers liegt.

Getrennt durch einen Steg 12 ist im Zylinderkopf eine kreisscheibenförmige Ausnehmung vorgesehen, die einen Teilbrennraum I¹I bildet, der nahezu das gesamte Kompressionsendvolumen des Brennraums umfaßt. Auf der einen Seite ist dieser Teilbrennraum durch den ebenen Kolbenboden begrenzt und auf der gegenüberliegenden Seite durch den Ventilteller 16 des einzigen Einlaßventils 17· In der Mitte des scheibenförmigen Brennraums Ik ist dieser bauchig erweitert, so daß sich das öffnende Einlaßventil 17 mit dem Teller 16 ungehindert an der dort radial eingeschraubten Zündkerze 20 vorbei bewegen kann und insbesondere für die einströmende Luftfüllung ein Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Zum Kolbenboden hin verringert sich der Durchmesser des kreisscheibenförmigen Brennraums I¹I, wobei tier Durchmesser 18 am übergang zu dem übrigen Brennraum innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungsdurchmessers liegt.

Jenseits des Sitzes 22 des Einlaßventils schließt sich der Saugkanal 2M der Brennkraftmaschine an, die in diesem Fall so ausgebildet ist, daß die dort bei geöffneten Einlaßventil 17 in den Teilbrennraum lU strömende Luft in Rotation gerät, wobei die Achse des somit im Teilbrennraum Ii entstehenden Wirbels koaxial zur Achse des Teilbrennraums und zur Achse des Einlaßventils liegt. Maßnahmen zur Erzeugung einer solchen Luftbewegung sind bekannt, sie können durch Dralleinsätze im Saugrohr durch die besondere Gestaltung des Ventil-

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tellers oder durch die Geometrie des Saugkanals selbst bewirkt werden.

Unmittelbar stromaufwärts des Ventiltellers 16 ragt eine Einspritzdüse 25 in den Saugkanal, die vorteilhaft als Mehrlocheinspritzdüse ausgebildet ist, wobei die einzelnen Kraftstoffeinspritzstrahlen 26 so gerichtet sind, daß sie bei geöffnetem Einlaßventil (gestrichelte Stellung) durch den zwischen Ventilteller 16 und Ventilsitz 22 entstehenden Ringspalt 27 in den Teilbrennraum 14 eintreten. In der Draufsicht gemäß Fig. 2 sind diese Einspritzstrahlen als gestrichelte Linien wiedergegeben. Es ist daraus zu ersehen, wie diese Strahlen am Ventilschaft des Eingangsventils vorbeigehen und wie eine Mengengleichverteilun^ über den Umfang des Ventilöffnungsquerschnittes erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet in folgender Weise: Nach Beendigung des Ausschubtaktes der hier nach dem Viertaktverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung wird über den Saugkanal 2k während der Abwärtsbewegung des Kolbens k bei geöffnetem Einlaßventil Frischluft in der Weise angesaugt, daß in dem Teilbrennraum Ik eine ausgeprägte, gerichtete Wirbelströmung entlang der kreisförmig verlaufenden Wände auftritt. Erst gegen Ende des Ansaugtaktes erfolgt gesteuert die Einspritzung des zugemessenen Kraftstoffs durch das Einspritzventil 25 in der oben beschriebenen Weise. Länge und Winkel der Einspritzstrahlen sind dabei so bemessen, daß eine möglichst geringe Brennraumwandbenetzung auftritt. Dieses ist insofern leicht erreichbar, als die Kraftstoffeinspritzstrahlen direkt in den sich nicht bewegenden Brennraum gerichtet sind, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren, wo der Brennraun im sich bewegenden Kolben liegt und dann eine nicht-benetzende

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Einspritzung nur möglich ist durch Einspritzung gegen den Koi..pressionsdruck mit den bekannten Uachteilen der den Brennraumtemperaturen ausgesetzten Einspritzdüse.

Der Zeitabschnitt, während dem eingespritzt wird, liegt möglichst nahe vor dem Schließen des Einlaßventils, um somit zu verhindern, daß der Kraftstoff weit in den Zylinderraum, der zu diesem Zeitpunkt noch einen großen Teil des Hubvolumens umfaßt, getragen wird. Während des anschließenden Kompressionshubs verbleibt die kurz zuvor eingespritzte Kraftstoffmenge innerhalb des Teilbrennraumes und hat dabei die I4öglichkeit, sich in dem rotierenden Luftwirbel über den Umfang gleichmäßig zu verteilen und unter Einwirkung der Fliehkraft sich radial zu schichten.

Dadurch, daß die gesamte im Brennraum zur Verbrennung kommende Kraftstoffmenge erst im Teilbrennraum verdampft, kommt es durch Wärmeentzug zu einer Innenkühlung des Gemisches, das somit bei gleicher Kraftstoffqualität stärker verdichtet werden kann, ohne daß es zu Selbstzündungen oder einer klopfenden Verbrennung kommt. Klopfhemmend wirkt außerdem die geordnete Gemischströmung im Teilbrennraum. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ist somit erhöht.

Aus diesem Grunde und zur Verbesserung der Luftfüllung liegen der Teilbrennraura mit dem Einlaßventil sowie die beiden Auslaßventile alle innerhalb der Projektion des Zylinderbohrungsdurchmessers. Der Brennraum ist dabei wenig zerklüftet und die Ansaugdrosselverluste sind gering. Um bei der vorgegebenen Brennraumanordnung den nötigen Ventilöffnungsquerschnitt für geringe Drosselverluste beim Ausschieben der verbrannten Abgase zu bekommen, sind in vorteilhafter Weise die Auslaßventile zweifach vorgesehen. Die Zündkerze 20 ist vorteilhaft im Teilbrennraum so angeordnet, daß bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens ¹J

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entstehende Quetschströmung auf die Zündkerze hin gerichtet ist.

Die Zünd- und Durchbrennwilligkeit eines mageren Kraftstoff/Luft-Gemisches wird nämlich sowohl durch die starke Drallbewegung des Gemisches als auch durch eine Quetschströmung, die die radial geschichtete Ladung in Richtung zur Zündkerze verlagert, verbessert. Die Quetschströmung entsteht durch Abströmen der Luftfüllung aus dem flachen Restbrennraum zwischen Kolben und dem auslaßventxlseitigen Teil des Zylinderkopfes in den kreisscheibenförmigen Teilbrennraum m. Die Intensität wird durch das Verhältnis der kolbenseitigen Grundfläche des flachen Teils des Brennraums zur Grundfläche des aufnehmenden Teilbrennraumes bestimmt sowie durch den geometrisch bedingten Grenzwert des kleinsten noch beherrschbaren Spaltmaßes zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf im flachen Teil des Brennraumes bei der oberen Totpunktlage des Kolbens. Das Ausmaß der Schichtung ist durch die auslegungsgemäße Intensität des Dralls bestimmbar. Bei Verwendung von Dralleinbauten wie z. B. Drallklappen erfolgt das über die Auslegung des Anstellwinkels der Drallklappen.

Bei schwach ausgelegtem Drall ergibt sich ein homogenes Gemisch mit der bekannten Anreicherungsmöglichkeit zur Erhöhung der Leistung pro Hubvolumen bei Vollast im fetten Genischbereich. Damit ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei verschiedenen Zielrichtungen auslegbar, einerseits eine Schichtung des Betriebsgemisches aus Luft und Kraftstoff, um einen Magerbetrieb zu ermöglichen und andererseits bei Betrieb mit homogener Ladung eine höhere Hubraumleistung zu erzielen.

Die Gemischaufbereitung kann weiterhin durch starke Einschnürung des Teilbrennraums Ii; am übergang zum übrigen Brennraum verbessert werden, wobei jedoch erhöhte Überschieb Verluste auftreten.

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Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Lösung
ermöglicht es, eine Brennkraftiaaschine bei gutem
Wirkungsgrad und bei niedrigen schädlichen Abgasbestandteilen auch mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch
zu betreiben. Zur Einhaltung der AbgasVorschriften
sind ferner alle Möglichkeiten geboten, die Abgaszusammensetzung noch weiterhin zu verbessern, indem die Kraftstoff menge durch die Einspritzanlage genau dosiert wird. Die Brennkraftmaschine kann wegen der günstigen
Durchbrennverhältnisse z. B. mit hohem Anteil rückgeführter Abgasmenge betrieben werden. In Ergänzung kann in der Abgassanunelleitung ein Katalysator zur Nachverbrennung angeordnet sein.

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Claims

lH.12.1977 Bö/Ba

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Ansprüche

il.y Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kolben, der eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist und im oberen Totpunkt die eine Begrenzungsfläche eines scheibenförmigen Teilbrennraumes bildet, auf dessen gegenüberliegender Seite der Teller des Einlaßventils angeordnet ist und mit einer Saugkanal, in dem ein zum Ventilteller des Einlaßventils hin gerichtete Einspritzdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Teil (I¹J) des Brennraumes den überwiegenden Volumenteil des Kompressionsendvolumens aufweist, kreisförmig ausgebildet ist und auf der dem Kolbenboden (6) gegenüberliegenden Seite durch den Ventilteller (16) des Einlaßventils (17) begrenzt ist und daß der aus der Einspritzdüse (25) austretende Kraftstoff so gerichtet ist, daß er nahezu frei durch den Ringspalt (27) am geöffneten Einlaßventil hindurch in den Teilbrennraum (I¹I) gespritzt wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Einspritzdüse

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der Kraftstoff gleichmäßig am Umfang des Ventiltellers (16) verteilt einspritzbar ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (25) als Mehrlochdüse ausgestaltet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Spritzdauer der Einspritzdüse unmittelbar vor dem Schließen des Einlaßventils (17) liegt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Ansaugluft in den Brennraum so ausgebildet ist, daß die in den Brennraum einströmende Luft einen Drall bekommt, dessen Achse koaxial zur Achse des Einlaßventils und zur Achse des scheibenförmigen Teilbrennraumes (1*0 ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei innerhalb der Projektion des Kolbendurchmessers liegende Auslaßventile (9) vorgesehen sind.
7. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zündkerze (20) in der Wand des Teilbrennraums

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so angeordnet ist, daß sie in Richtung der Quetschströmung der beim Kompressionshub zur Verdichtung kommenden Ladung liegt.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das im Teilbrennraum rotierende Kraftstoff/Luft-Gemisch durch die Quetschströmung in Richtung zur Einbaustelle der Zündkerze (20) verschiebbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Teilbrennraum (I¹I) einen zum Kolbenboden (6) hin abnehmenden Durchmesser aufweist.

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