DE3148165A1

DE3148165A1 - Brennkraftmaschine mit kraftstoffeinspritzung und fremdzuendung

Info

Publication number: DE3148165A1
Application number: DE19813148165
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dipl.-Ing. Dr.Dr.h.c. 8020 Graz List
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1981-12-05
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3148165C2; JPS6326258B2; ATA618980A; AT378824B; JPS57126521A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung und mindestens einen Einlaßventil, das mit Einrichtungen zusammenwirkt, welche der in den Zylinder einströmenden Luft einen Drall ^cj um die Zy] inder.-ichse erteilen.

Bei Brennkraftmaschinen dieser Art ergibt sich für das zu zündende Kraftstoff-Luft-Gemisch die Notwendigkeit, ein Mischungsverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft in relativ engen Grenzen einzuhalten, damit die Zündfähigkeit des Gemisches gesichert ist.Beiim Teillastbereich betriebenen Brennkraftmaschinen ist es deshalb üblich, den Zylinder mit kleineren !«engen von Gemisch zu füllen als bei Vollast, um innerhalb dieser Zündgrenzen zu bleiben und mit Sicherheit eine Zündung und Verbrennung zu erreichen.

Bei fast allen bekannten Brennkraftmaschinen der genannten Art werden diese geringeren Gemischmengen durch eine Drosselung während des Einsaugens in den Zylinder erreicht, wozu üblicherweise eine Drosselklappe in der Ansaugleitung angeordnet ist, deren Stellung - und damit die Größe des erreichten Unterdruckes - je nach Größe der Teillast verändert wird. Die auf diese Weise entstehenden Drosselverluste verringern jedoch den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbereich, was einen entscheidenden Nachteil dieser bekannten Ausführung darstellt.

Die zweite Möglichkeit ist die., nur einen Teil der Ladeluft mit Brennstoff zu mischen, wobei die Mischung inner-' halb der Zündgrenzen liegen muß. Es wurden verschiedene · Verfahren für diese Schichtladung vorgeschlagen, die sich jedoch bis jetzt nicht zur Serienreife durchzusetzen vermochten, weil sich Zündschwierigkeiten in verschiedenen Lastbereichen ergeben haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brenn-

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kraftmaschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches im gesamten Lastbereich, insbesondere im- Teillastbereich der Brennkraftmaschine gewährleistet ist, ohne die erwähnten Drosselverluste in Kauf nehmen zu müssen.

Dies wird gerriiiß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Zylinderraum in einen liubraum und einen dazu exzentrisch gelegenen und wenigstens annähernd achsparallel zum Hubraum angeordneten zylindrischen Verbrennungsraum geteilt ist, in welchen bei allen Lasten die Verbrennungsluft praktisch ungedrosselt einströmt, daß weiters die Einspritzdüse am hubraumseitigen Ende des Verbrennungsraumes angeordnet ist und annähernd eine flache Scheibe senkrecht zur Achse des Brennraumec mit mindestens einem Kraftstoffstrahl bestreicht, und daß ferner mindestens eine Zündkerze an der dem Hubraum abgewendeten Seite des Brennraumes so angeordnet ist bzw. sind, daß bei jedem yiralrtiüch vorkommender! Teil- und Vollastbereich der Brennkraftmaschine wenigstens eine Zündkerze die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet. Bei dem so gebildeten Schichtlademotor wird also zur Berücksichtigung der für die Teillast erforderlichen kleineren zündfähigen Gemischmenge keine Drosselung welche die besagten Verluste ergibt - verwendet, sondern die Ladung so geschichtet, daß nur ein Teil derselben ein Mischungsverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft hat, welches innerhalb des zündfähigen Bereiches liegt, während der andere Teil der Ladung praktisch nur aus Luft besteht. Es muß lediglich danach getrachtet werden, daß eine Zündkerze bzw. der von dieser zum Zündzeitpunkt erzeugte Zündfunke sich innerhalb des zündfähigen Gemischteiles der Ladung befindet, damit nach der Zündung dieses Teiles und ausgehend die Verbrennung des gesamten Gemisches im Brennraum erfolgt.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist wie folgt zu beschreiben:

Nach Beendigung des Einsaugvorgangeü, während dem die einströmende Luft einen Drall um die Zylinderachse erhii.lt, ist der Hubraum im Zylinder mit einer rotierenden Ladungs-

walze erfüllt. Zum Einspritzbeginn, welcher annähernd beim Beginn des Verdichtungshubes liegt, wird durch die am hubraumseitigen Ende des zylindrischen und exzentrisch zum Hubraum angeordneten Verbrennungsraumes angeordnete Einspritzdüse Brennstoff eingebracht, welcher aufgrund der speziellen Geometrie vorerst sich annähernd im Bereich einer flachen Scheibe senkrecht zur Achse des Brennraumes verteilt. Die Einspritzung dauert dabei bei Vollast so lange als Luft aus dem Hubraum in den Brennraum überströmt, also bis annähernd der gesamte Brennraum mit Gemisch gefüllt ist. Die ursprüngliche Gemischscheibe gelangt am Ende der Verdichtung in den Bereich einer Zündkerze, wird von deren Funken gezündet und brennt sodann durch den Brennraum ab. Bei Teillast liegt der Beginn des Einspritzens in den Λ^ν) Brennraum in gleicher Weise Wieder wie bei der Vollast zumindest annähernd am Beginn des Verdichtungshubes. Die Einspritzung hört im Teillastbereich'jedoch dann auf, wenn die für die jeweilige Teillast benötigte Kraftstoff- bzw. Gemischmenge erreicht ist. In weiterer Folge gelangt vom Hubraum aus nur mehr reine Luft in den Brennraum und schiebt in Portsetzung der Rotation der Zylinderladung die somit ebenfalls rotierende Gemischscheibe in Richtung zu der am anderen Ende des Brennraumen angeordneten Zündkerze, bis dieser Gemischteil wie bei Vollast den Bereich der Zündker-25. ze erreicht und von deren Funken gezündet wird.

Die Regulierung der für den Teillastbereich erforderlichen kleineren Gemischmenge erfolgt also nur durch die Menge und die Zeitdauer des Einspritzens. Im Teillastbereich ist also eine Gemischschicht bzw. eine Gemischscheibe im Brennraum enthalten, welche in Richtung zum Hubraum hin zunächst durch Luft abgegrenzt ist und sich im Laufe der fortschreitenden Verdichtung soweit nach oben schiebt, daß das zündfähige Gemisch in den Bereich der Zündkerze kommt und von dieser gezündet werden kann. Die Abhängigkeit des Zündzeitpunktes von der Drehzahl kann auch einstellbar sein, wobei es zweckmäßig sein wird, bei höherer Drehzahl den Zündzeitpunkt etwas vorzuverschieben und bei niederer Drehzahl etwas zurückzunehmen.

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Durch, die Ausführung nach der Erfindung wird also sichergestellt, daß zündfähiges Gemisch in Form einer Schicht während des Verdichtungshubes der Brennkraftmaschine zur im Brennraum angeordneten Zündkerze wandern, womit nach einer Zündung dieser Schicht eine sehr gute Verbrennung der gesamten Ladung erfolgen kann. Drosselverluste durch die Reduzierung der Zylinderladung für den Teillastbereich der Brennkraftmaschine treten nicht auf, da durch die Gemischschichtung im Brennraum die Drosselung entfallen kann. '

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Einspritzdüse so angeordnet ist, daß der Kraftstoff im wesentlichen nur in den Verbrennungsraum eintritt. Damit ergibt sich eine besonders ausgeprägte Schichtstruktur des eingespritzten Kraftstoffes, welche die Beibehaltung eines zündfähigen Gemisches in der während des Verdichtungshubes in Richtung "zur Zündkerze verschobenen rotierenden Gemischscheibe weiter verbesoert.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Zündkerze an der dem Hubraum abgewendeten Seite im Verbrennungsraum angeordnet ist, deren Elektroden in den Verbrennungsraum hineinragen, und ein in Achsrichtung des Verbrennungsraumes hinter den Elektroden befindlicher ringförmiger Teil des Verbrennungsraumes gebildet ist, der die am Ende des Saughubes im Verbrennungsraum enthaltene Luft im verdichteten Zustand mindestens zum großen Teil aufnimmt. Am Ende des Saughubes befindet sich im Verbrennungsraum Luft und allenfalls ein Ab^asreut vom vorhergehenden Arbeitstakt, die nicht rotiert und erst im Verlaufe des folgenden Verdichtungshubes durch die vom Kolben eingeschobene rotierende Ladung in Drehung versetzt wird. Diese erste an sich nicht zündfähige Schicht wird durch die nachfolgende zündfähige Schicht und ggf. die nachfolgende Luft in den ringförmigen Teil des. Verbrennungsraumes hinter der Elektrode verdrängt, sodaß das zündfähige Gemisch mit erhöhter fi:i ehorhe i t in den Bereich der Elektroden der Zündkerze gelangt und somit eine sichere Zündung des Gemisches gewährleistet ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Pig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Teilschnitt durch die Zylinderachse und Stellung des Kolbens im unteren Totpunkt, Pig. 2 ein Detail daraus in größerem Maßstab bei

Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt und Pig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Pig. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine sind der Zylinder 1 und der Zylinderkopf 2 einstückig ausgeführt. Im Hubraum 3 bewegt sich der Kolben 4, welcher sich in Pig. 1 im.unteren Totpunkt und in Pig. 2 im oberen Totpunkt befindet. An den Hubraum 3 schließt der ebenfalls zylindrische Verbrennungsraum 5 an, der mit Rücksicht auf das Einlaßventil 6 und das Auslaßventil 7 mit seiner Achse 5' gegenüber der Achse 1' des Zylinders exzentrisch angeordnet 1st." Das Volumen dieses Verbrennungsraumes ist so bemessen, daß das gewünschte Verdichtungsverhältnis, beispielsweise i : 10, erreicht wird. Der in den Zylinder 1 durch das Einlaßventil 6 hindurch einströmenden Luft wird durch den Spiralkanal 8 ein Drall erteilt, sodaß im Hubraum eine rotierende Ladungswalze entsteht. Die rotierende Luft wird im Kompressionstakt durch den Kolben 4 in den Verbrennungsraum 5 verdrängt, wo sie .ihre Rotation voraussichtlich mit größerer Winkelgeschwindigkeit beibehält. In den Verbrennungsraum 5 mündet im Bereich des Überganges zum Hubraum 3 die Einspritzdüse 9j deren Strahl bzw. Strahlen 10.etwa in einer Ebene senkrecht zur Achse 5' des Verbrennungsraumes verlaufen. An dem vom Hubraum 3 abgekehrten Ende des Verbrennungsraurnec 5 iot eine Zündkerze 11 angeordnet, deren Elektroden 12 in den Verbrennungsraum 5 hineinragen. Der Verbrennungsraum 5 weist im Bereich der Zündkerze 11 hinter deren Elektroden 12 einen ringförmigen Teil 13 auf, dessen Volumen so bemessen ist, daß die zu Beginn der Kompression ' im Verbrennungsraum 5 enthaltene Luft mindestens zum großen Teil aufgenommen werden kann.

Die Wirkungsweise dieses Schichtlademotors ist folgende:

Vom Beginn des Kompressionshubes an wird, wie in Pig. 1 dargestellt, Kraftstoff durch die Düse 9, vorzugsweise ausschließlich in den Verbrennungsraum b, eingespritzt. Dadurch wird eine rotierende Scheibe aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet, die infolge der Rotation stabil irt und während' des Aufwärtsganges des Kolbens 4 immer weiter zur Zündkerze 11 hin verdrängt wird. Bei Vollast wird' während des ganzen Kocipressionshubes Kraftstoff eingespritzt, 'wogegen bei Teillast die Kraftstoffeinspritzung vor Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens entsprechend der Teillast früher oder später beendet wird. In allen !Fällen wird die zu Beginn des Kompressionshubes gebildete stabile Scheibe aus Kraftstoff-Luft-Gemisch bis zum Erreichen der Elektroden 12 der Zündkerze 11 zündfähig bleiben und es ^lj wird zum Zündzeitpunkt die im Verbrennungsraum [3 befindliche Kraftstoffmenge gezündet werden. Dies wird besonders auch durch den hinter den Elektroden 12 der Zündkerze 11 befindlichen Singraum 13 gefördert, in welchen die bei Kompressionsbeginn im Verbrennungsraum 5 befindliche Luft und Abgasreste vorn vorhergehenden Arbeitsspiel verdrängt werden. Die Einspritzdüse 9 wird vorzugsweise al's Fächerdüse mehrstrahlig ausgebildet, um möglichst homogene Schichten zu erhalten.

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Λ J-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung und mindestens einem Einlaßventil, das mit Einrichtungen zusammenwirkt, welche der in den Zylinder einströmenden Luft einen Drall um die Zylinderachse erteil^en». dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderraum in einen-Hubraum und einen dazu exzentrisch gelegenen und wenigstens annähernd achsparallel zum Hub raum nmr α α rclnoten zylindrischen Verbrennung-! mum geteilt ist, in welchen bei allen Lasten die Verbrennüngsluft praktisch ungedrosselt einströmt, daß weiters die Einspritzdüse am hubraumseitigen Ende des Verbrennungsraumes angeordnet ist und annähernd eine flache Scheibe senkrecht zur Achse des Brennraumes mit mindestens einem Kraftstoffstrahl bestreicht, und daß ferner mindestens eine Zündkerze an der dem Hubraum abgewendeten Seite des Brennraumes so angeordnet ist bzw. sind, daß bei jedem praktisch vorkommenden Teil- und Vollastbereich der Brennkraftmaschine wenigstens eine Zündkerze die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse so angeordnet ist, daß der Kraftstoff im wesentlichen nur in den Verbrennungsraum eintritt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß. eine Zündkerze an der dem Hubraum abgewendeten Seite im Verbrennungsraum angeordnet ist, deren Elektroden in den Verbrennungsraum hineinragen, und ein in Achsrichtung des Verbrennungsraumes hinter den Elektroden befindlicher ringförmiger Teil des' Verbre:.-nungsraumes gebildet ist, der die am Ende des Saughubes im Verbrennungsraum enthaltene Luft im verdichteten Zustand mindestens zum großen Teil aufnimmt.