DE3734737A1 - Brennstoffeinspritzsystem und mit diesem ausgeruestete verbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritz­ system nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verbrennungsmaschine mit einem derartigen System. Dieses System ist geeignet für Verbrennungsmaschinen, bei denen der Brenn­ stoff mittels eines Treibgases direkt in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Das vor­ liegende Brennstoffeinspritzsystem ist insbe­ sondere anwendbar bei funkengezündeten Zweitakt- oder Viertakt-Maschinen.

Es wurden beträchtliche Anstrengungen bei der Ent­ wicklung von Direkteinspritzsystemen für Ver­ brennungsmaschinen unternommen. Der größte Teil dieser Arbeit bezog sich auf die Einspritzung von reinem flüssigen Dieselbrennstoff in Ver­ dichtungszündungsmotoren; jedoch haben in jüngerer Zeit auch funkengezündete Maschinen stärkere Beachtung gefunden.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf funkengezündete Verbrennungsmaschinen gerichtet, bei denen eine dosierte Menge Brennstoffs in einem Gas, zweckmäßig Luft, mitgenommen und direkt in die Verbrennungskammer der Maschine durch ein selektiv zu öffnendes Düsenventil geführt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Arbeitsweise einer Düse bei der Zuführung von durch ein Treibgas mitgenommenem Brennstoff wesentlich anders ist als bei der Zuführung von flüssigem Brennstoff allein.

Beim Einspritzen von flüssigem Brennstoff allein wird die Form des Sprühstrahles durch die mecha­ nische Ausbildung der Düse am Austrittspunkt des Brennstoffs bestimmt. Der Druckabfall, den der flüssige Brennstoff bei der Zuführung erleidet, führt nicht zu einer wesentlichen Ausbreitung des Brennstoffs und so setzt der Brennstoff seinen Weg auf der Bahn fort, in die er beim Austritt aus der Düse gelenkt wurde. Auch ist die Zerstäubung eines flüssigen Brenn­ stoffs besonders abhängig von der Dicke des flüssigen Brennstoffilms, der den relativ engen Durchlaß zwischen den mechanischen Teilen des Düsenauslasses passiert.

Wenn dagegen der Brennstoff in einem Gas mitge­ nommen wird, unterliegt das Gas beim Austritt aus der Düse einer erheblichen Ausbreitung, die für die Form des Brennstoffstrahles be­ stimmend ist. Um daher die Form des Brennstoff­ strahles bei Mitnahme des Brennstoffes in einem Gas beeinflussen zu können, sind wesentlich andere Überlegungen erforderlich als bei der Zuführung von flüssigem Brennstoff allein. Weiterhin wird die Zerstäubung des in einem Gas mitgenommenen Brennstoffs durch ein Abscheren von einem an einer Oberfläche der Düse ge­ bildeten Brennstoffilm erzielt, dadurch, daß das Gas über den Brennstoffilm hinwegströmt. Daher sind andere Überlegungen hinsichtlich der Abmessungen des Brennstoffdurchganges durch die Düse anzustellen als bei einer Zuführung von Brennstoff allein, und die Abmessungs­ toleranzen bei einer Düse für die Zuführung von in Gas mitgenommenem Brennstoff können sehr großzügig bemessen sein.

Aus der US-PS 24 33 985 ist eine Brennstoff­ einspritzvorrichtung für einen Dieselmotor bekannt, bei der das Einspritzventil sich zwischen der Schließ- und Öffnungsstellung in einer zylindri­ schen Einfassung bewegt. Die innere Oberfläche der zylindrischen Einfassung ist abgestuft, so daß während des Anfangsabschnitts der Öffnungs­ bewegung des Ventils ein sehr enger ringförmiger Durchlaß und in der voll geöffneten Stellung des Ventils ein erweiterter ringförmiger Durchlaß für die Zuführung des Brennstoffs gebildet werden. Diese Einspritzdüse ist insbesondere vorgesehen für die Verwendung bei einem Diesel­ motor, bei dem das Ventil in Abhängigkeit von der Änderung des Druckes des zur Düse gelieferten flüssigen Brennstoffs geöffnet und geschlossen wird.

Die Ausbildung eines relativ beschränkten ring­ förmigen Durchlasses für die Zuführung des Brenn­ stoffs während des Beginns der Öffnungsbewegung des Ventils soll dazu dienen, die Einleitung der Verbrennung im Motorzylinder zu steuern; eine derartige Steuerung wird jedoch bei einer funkengezündeten Maschine auf zweckmäßigere Weise durch geeignete Zeitpunktwahl der Be­ tätigung der Zündeinrichtung erzielt. Weiterhin hat der beschränkte Brennstofffluß durch den relativ engen Durchlaß zu Beginn der Ventil­ öffnung eine Wirkung auf die Öffnungsgeschwindig­ keit des Ventils, da die die Ventilöffnung beeinflussende Kraft von dem Brennstoffdruck stromaufwärts des Ventils abgeleitet wird, und dieser Druck ist abhängig von dem beschränkten Brennstofffluß, der zu Beginn der Ventilöffnung zugelassen wird. Die bekannte Brennstoffeinspritz­ vorrichtung ist somit nicht geeignet für die Zuführung und Zerstäubung von in einem Gas mit­ genommenem Brennstoff. Auch führt der beschränkte Brennstoffdurchlaß zu der Gefahr einer Kohlen­ stoffansammlung, die schädlich ist für die Auf­ rechterhaltung der geforderten Strahlausbildung und der Brennstoffzerstäubung, so wie es für eine funkengezündete Maschine benötigt wird.

Eine weitere Brennstoffeinspritzdüse ist in der US-PS 31 56 414 gezeigt, bei der das Düsenventil wieder in Abhängigkeit des Zuführungsdrucks des flüssigen Brennstoffs geöffnet wird. Diese Ein­ spritzdüse ist ebenfalls nicht für den Einsatz bei von einem Gas wie Luft mitgenommenem Brennstoff gedacht. Sie ist speziell darauf gerichtet, im Bereich unmittelbar stromaufwärts des Ventils so ausgebildet zu sein, daß jegliche Blasen, die im flüssigen Brennstoff vor dessen Durchgang durch das Ventil zur Zuführung zur Maschine bestehen, verschwinden. Diese Düse ist nur für die Verwendung mit flüssigem Brennstoff allein bestimmt, bei der zudem das Ventil in Abhängigkeit von dem Druck dieser Flüssig­ keit geöffnet wird, und es ist aus der vor­ stehenden Diskussion ersichtlich, daß diese Einspritzdüse nicht für die Zuführung von in einem Gas mitgenommenem Brennstoff zur Verbrennungskammer einer Maschine eingesetzt werden kann. Bei einer Brennstoffeinspritz­ düse, bei der der Brennstoff in einem Gas mitgenommen wird, besteht auch nicht das Problem des Austreibens von Blasen aus dem Brennstoff.

Die Eigenschaften des von einer Düse in eine Verbrennungskammer einer funkengezündeten Maschine gesprühten Strahls aus Brennstofftröpfchen haben einen besonderen Einfluß auf die Wirksam­ keit der Verbrennung des Brennstoffs, von der wiederum die Stabilität des Betriebs der Maschine, die Brennstoffausnutzung und der Pegel der Abgasemissionen abhängen. Um diese Wirkungen bei einer funkengezündeten Maschine zu optimieren, ergeben sich als wünschenswerte Eigenschaften des Strahlmusters des in die Verbrennungskammer eintretenden Brennstoffs eine kleine Brennstoff­ tröpfchengröße, eine gesteuerte Eindringtiefe des Brennstoffstrahls in die Verbrennungskammer und, wenigstens bei niedrigen Maschinenlasten, eine relativ eingegrenzte Wolke aus gleichmäßig verteilten Brennstofftröpfchen.

Bei der Kontrolle der unerwünschten Bestandteile der Maschinenabgase ist es wünschenswert, die Plazierung des Brennstoffs in der Charge innerhalb der Verbrennungskammer zu steuern, um einer Anzahl von Parametern zu genügen. Im Idealfall soll der Brennstoff in einer Luft­ charge verteilt werden, so daß das resultierende Brennstoff/Luft-Gemisch an der Zündkerze leicht entzündbar ist, sollte der gesamte Brennstoff Zugang zu einer ausreichenden Menge Luft haben, um vollständig zu verbrennen, und die durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte Flamme sollte eine ausreichende Temperatur aufrecht­ erhalten, um sich vor dem Erlöschen auf den gesamten Brennstoff in der Verbrennungskammer zu erstrecken. Es müssen noch weitere Faktoren berücksichtigt werden, wie die Temperaturen in bestimmten Bereichen der Verbrennungskammer, wodurch die Detonation gefördert wird, oder die Bildung unerwünschter Verunreinigungen im Abgas.

In der Praxis kann eine Düse zur Lieferung von Brennstoff in die Verbrennungskammer einer funkengezündeten Maschine so ausgestaltet werden, daß eine ausgewählte Brennstoffstrahlkonfiguration erhalten wird, mit der eine gewünschte Brennstoff­ verteilung in der Verbrennungskammer erreicht wird. Jedoch bewirken im tatsächlichen Gebrauch die hohen Temperaturen, denen die Düse infolge der Verbrennungsbedingungen in der Verbrennungs­ kammer ausgesetzt ist, eine Ansammlung von Kohlenstoff in Hochtemperaturbereichen der Düse, die mit dem gelieferten Brennstoff in Kontakt kommen. Sowie sich einmal Kohlenstoff abgesetzt hat, fördert das sich hieraus ergebende Hindernis den weiteren Niederschlag des Kohlenstoffs. Diese Kohlenstoffansammlungen im Weg des durch die Düse geförderten Brennstoffs stören den Brennstofffluß in die Verbrennungskammer, und damit liefert die Düse nicht mehr die geforderte Brennstoffstrahlkonfiguration und Brennstoffverteilung in der Verbrennungskammer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffeinspritzsystem zur Zuführung von in Gas mitgenommenem Brennstoff zu einer funkengezündeten Maschine zu schaffen, die zur Erzielung der gewünschten Brennstoff­ verteilung in der Verbrennungskammer der Maschine beiträgt, um eine wirksame Verbrennung des Brennstoffs zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems sowie einer mit diesem ausgerüsteten Verbrennungs­ maschine ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft somit ein Brennstoff­ einspritzsystem für eine funkengezündete Ver­ brennungsmaschine, bei der eine dosierte Menge in einem Gas mitgenommenen Brennstoffs direkt in eine Verbrennungskammer der Maschine durch eine selektiv zu öffnende Düse geliefert wird, und sie zeichnet sich dadurch aus, daß die Düse einen Düsenkörper mit einem inneren Hohlraum, in dem die dosierte Menge Brennstoffs im Gas mitgenommen wird, eine Öffnung im Düsenkörper zur Verbindung des Hohlraums mit einer äußeren Fläche des Düsenkörpers, die sich innerhalb der Verbrennungskammer befindet, eine innere ringförmige Dichtfläche in der Öffnung zwischen dem Hohlraum und der äußeren Fläche des Düsen­ körpers, einen Ventilkörper mit einer äußeren ringförmigen Dichtfläche, die für einen normalerweise dichtenden Eingriff mit der inneren Dichtfläche geeignet ist, um die Öffnung zu schließen, eine Vorrichtung zur selektiven Bewegung des Ventilkörpers relativ zur Öffnung in eine Öffnungsstellung, eine ringförmige innere Endfläche in der Öffnung, die sich von der inneren Dichtfläche zu der äußeren Fläche des Düsenkörpers erstreckt, und eine ringförmige äußere Endfläche auf dem Ventilkörper, die sich von der äußeren Dichtfläche erstreckt und mit der inneren Endfläche in der Öffnung in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers einen ring­ förmigen Durchlaß definiert, der im radialen Schnitt einen Winkel zwischen der inneren und der äußeren Endfläche von 0° bis 40° besitzt, wobei die innere Endfläche im radialen Schnitt zur Achse des Durchlasses um einen Winkel von nicht mehr als etwa 15° geneigt ist, und der Durchlaß seine maximale Weite an der äußeren Oberfläche des Düsenkörpers hat, aufweist.

Vorzugsweise ist die äußere Endfläche auf dem Ventilkörper im wesentlichen zylindrisch, kann aber auch eine konische Gestalt besitzen, die nach innen in Richtung des Flusses durch den Durchlaß konvergiert. Es ist festzustellen, daß eine konvergierende äußere Endfläche auf dem Ventilkörper eine geringere Wirkung auf die Querschnittsfläche des Durchlasses hat als eine divergierende innere Endfläche in der Öffnung.

Wenn die äußere Endfläche eine konvergierende konische Form besitzt, beträgt der eingeschlossene Winkel von dieser zweckmäßig nicht mehr als 20° und vorzugsweise etwa 10°. Wenn die innere Endfläche in der Öffnung in Richtung des Flusses divergiert, ist der sich aus der Divergenz ergebende eingeschlossene Winkel der konischen Form vorzugsweise nicht größer als etwa 20°.

Die Anordnung des Durchlasses zwischen den End­ flächen der Öffnung und des Ventilkörpers be­ wirkt eine relativ hohe Fließgeschwindigkeit des Gases und des mitgenommenen Brennstoffs durch den Durchlaß. Diese hohe Fließgeschwindigkeit unmittelbar stromabwärts der Dichtflächen der Öffnung und des Ventilkörpers, wenn die Drossel geöffnet ist, reinigt den Durchlaß wirksam von Brennstoff. Diese Entfernung des Brennstoffs aus dem Durchlaß eliminiert die Zurückhaltung von Brennstofftröpfchen auf den den Durchlaß bildenden Oberflächen, die zu einer Ansammlung von Kohlenstoff im Durchlaß führen könnte. Eine Kohlenstoffansammlung im Durchlaß hätte einen wesentlichen Einfluß auf die Form des von der Düse ausgehenden Brennstoffstrahlmusters, das unkontrollierbar werden und die Brennstoff­ verteilung in der Verbrennungskammer beein­ trächtigen würde.

Es wurde festgestellt, daß, wenn die ringförmige Dichtfläche in der Öffnung so angeordnet ist, daß sie die äußere Fläche des Körpers am Ende des Düsenkörpers innerhalb der Verbrennungskammer schneidet, sich eine Kohlenstoffansammlung an der Verbindung der Öffnung und der äußeren Fläche des Körpers entwickelt. Es wird angenommen, daß die Kohlenstoffansammlung wenigstens teil­ weise durch die rasche Expansion des Gases beim Verlassen des ringförmigen, durch die Öffnung des geöffneten Ventils gebildeten Spaltes erhöht wird, und die sich ergebende relativ niedrige Gasgeschwindigkeit ermöglicht es, daß die Brennstofftröpfchen sich an der Mündung des Spaltes niederschlagen. Diese Brennstoff­ tröpfchen brennen unter Bildung eines Kohlen­ stoffniederschlages, der die Strahlausbildung und die Brennstoffverteilung in der Verbrennungs­ kammer stört.

Die Anordnung des Durchlasses stromabwärts der Dichtflächen in der Öffnung und auf dem Ventil­ körper in Verbindung mit einem Brennstoffein­ spritzsystem, bei dem der Brennstoff in einem Gas mitgenommen wird, hat den Vorteil, daß während des letzten Abschnitts der Periode, in der die Düse geöffnet ist, das durch den Durch­ laß zugeführte Gas wenig Brennstoff enthält. In einem solchen Brennstoffeinspritzsystem ist die Dauer der Öffnungsperiode der Düse beträchtlich länger als die für die Zuführung der von der Maschine benötigten dosierten Menge Brennstoffs erforderliche Periode. Daher entfernt der im wesentlichen brennstofffreie Gasstrom durch den Durchlaß während des letzten Abschnitts der Öffnungsperiode alle an den Wänden des Durchlasses haftenden Brennstofftröpfchen aus diesem, so daß diese Brennstofftröpfchen nicht im Durchlaß brennen und eine Kohlenstoffansammlung bilden können.

Es ist auch festzustellen, daß, um einen wirksamen Betrieb und eine Dauerhaftigkeit des die Düse öffnenden und schließenden Ventilkörpers zu erreichen, es bevorzugte untere Grenzen für die Neigung der jeweiligen Dichtflächen in der Öffnung und auf dem Ventilkörper gegenüber der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers gibt. Bei Abwesenheit des Durchlasses stromabwärts der Dichtflächen bestimmt die Neigung dieser Dichtflächen die Richtung des zwischen ihnen austretenden Brennstoffs und hat damit einen erheblichen Einfluß auf die Brennstoffverteilung in der Verbrennungskammer. Vorzugsweise wird jedoch der Brennstoff in einer Strahlform zuge­ führt, die einen kleinen Winkel einschließt, um eine beschränkte seitliche Verteilung bei der Ein­ speisung in die Verbrennungskammer zu erhalten.

In einer bevorzugten Ausführung sind die innere und äußere Endfläche der Öffnung und des Ventil­ körpers jeweils zylindrisch und verlaufen koaxial mit der Achse der Öffnung und des Ventilkörpers. Demgemäß ist die Querschnittsfläche des von diesen Flächen gebildeten Durchlasses während der ganzen Öffnungsbewegung des Ventilkörpers konstant im Gegensatz zu der fortschreitenden zunehmenden Fläche des Durchlasses zwischen den Dichtflächen, wenn der Ventilkörper sich in die Öffnungsstellung bewegt. Es wird daher festge­ stellt, daß die Fließgeschwindigkeit durch den Durchlaß einer geringeren Änderung während der Öffnungsperiode des Ventils unterworfen ist und nur eine geringe Komponente in radialer Richtung besitzt, was jeweils zu einer besseren Steuerung der Brennstoffverteilung und zu einem Freihalten des Durchlasses von einer Kohlenstoffansammlung beiträgt.

Ein kleiner Konuswinkel des aus dem Durchlaß austretenden Strahls ergibt einen relativ tief eindringenden Strahl, was besonders vor­ teilhaft im Hochlastbetrieb ist, wenn erforder­ lich ist, daß der Brennstoff weit innerhalb der Verbrennungskammer verteilt wird, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu erhalten. Jedoch ist es im Niedriglastbetrieb wünschenswert, die Brennstoffverteilung einzu­ grenzen, so daß ein leicht entzündbares Gemisch in der Nähe des Zündpunktes auftritt. Diesem Erfordernis wird durch die Düse mit dem vor­ erwähnten Durchlaß und durch Vorsehen eines Verbrennungshohlraums im Kopf des Kolbens sowie durch Richten des Strahls von der Düse auf diesen Hohlraum genügt.

Es ist zusätzlich wünschenswert, den Zeitpunkt des Beginns der Brennstoffeinspritzung mit der Maschinenlast zu verändern. Eine späte Ein­ spritzung ist bei niedrigen Lasten bevorzugt, so daß der Kolben sich während der Einspritzung näher an der Düse befindet und der Brennstoff­ strahl bei Erreichen des Kolbens nicht so stark verbreitert ist und im wesentlichen ganz im Hohlraum des Kolbens aufgenommen wird. Ent­ sprechend ermöglicht eine frühe Einspritzung bei hohen Lasten eine stärkere Ausbreitung des Brennstoffstrahls vor Erreichen des Kolbens, so daß eine geringere Menge Brennstoffs in den Hohlraum des Kolbens eintritt. Somit kann der Brennstoff bei hohen Lasten tiefer in den Maschinenzylinder eindringen, um einer größeren Luftmenge ausgesetzt zu werden, und weniger Brennstoff wird im Hohlraum des Kolbens kon­ zentriert. Diese vorbeschriebenen Brennstoff­ verteilungen beziehen sich auf den Zeitpunkt der Zündung.

Niedrige und hohe Maschinenlasten sind relative Begriffe, die von jeder einzelnen Maschine ab­ hängig sind, wie jedem Fachmann geläufig ist. Jedoch soll als allgemeiner Anhaltspunkt im Zusammenhang mit einer funkengezündeten Zweitakt­ maschine für moderne Kraftfahrzeuge als hohe Last eine solche, die größer ist als 75% der bei dieser Geschwindigkeit von der Maschine erreichbaren maximalen Last, und als niedrige Last eine solche, die kleiner ist als 30% der bei dieser Geschwindigkeit von der Maschine erreichbaren maximalen Last, gelten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Brennstoffeinspritzdüse mit der Düsenöffnung und einem zuge­ ordneten Ringventil sowie den umgebenden Mantelring,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Maschinenzylinders und des zugeordneten Kolbens sowie der Form des von der Einspritz­ düse ausgehenden Brennstoffstrahls, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine elektromagnetisch betätigte Brennstoffeinspritzdüse, die eine gewünschte Veränderung der Brennstoffzuführungszeit ermöglicht.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Düsenkörper 10 eine Öffnung 11, die mit einem axialen Hohlraum 12 ver­ bunden ist, durch welchen der Brennstoff und Gas zur Öffnung für die Zuführung zur Maschine ge­ liefert werden. Die Öffnung 11 umfaßt einen kegelstumpfförmigen Sitz 13, der eine ringförmige Fläche mit einem eingeschlossenen Winkel von 90° bildet. Das Ventil 15 besitzt einen Schaft 16, der mit einem geeigneten, nicht gezeigten Be­ tätigungsmechanismus gekoppelt ist, sowie einen Ventilkopf 17 mit einem kegelstumpfförmigen Sitz 18 aus einer ringförmigen Fläche und einem zylindrischen Endabschnitt 19. Der konische Sitz 18 hat einen eingeschlossenen Winkel von 90°, so daß seine Fläche in einer dichtenden Beziehung dem konischen Sitz 13 der Öffnung 11 angepaßt ist.

Einteilig mit dem die Öffnung 11 enthaltenden Düsen­ körper 10 ist ein Erweiterungsabschnitt 20 aus­ gebildet, der koaxial mit dem Ventil 15 angeordnet ist und eine zylindrische Oberfläche 21 bereit­ stellt, der als Mantelring um das Ventil 15 wirkt, wenn dieses sich, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in der Öffnungsstellung befindet.

Wenn das Ventil sich bei der gezeigten Konstruktion in der Öffnungsstellung befindet, wird zwischen den sich gegenüberstehenden konischen Flächen der Öffnung 11 und des Ventils 15 ein ring­ förmiger divergierender Durchlaß 25 gebildet. Ein weiterer ringförmiger Durchlaß 27 wird zwischen den sich gegenüberstehenden zylindrischen Flächen des Abschnitts 20 und des Endabschnitts 19 des Ventils 15 gebildet. Es ist festzustellen, daß die diametrale Weite des Durchlasses 27 geringer ist als der Abstand zwischen den konischen, den Durchlaß 25 bildenden Flächen, gemessen in Richtung der Normalen zu diesen Flächen.

Gemäß Fig. 2 ist eine Brennstoffeinspritzeinheit 30 mit einer entsprechend Fig. 1 ausgebildeten Düse in den Zylinderkopf 31 einer Maschine eingepaßt. Ein Kolben 32 führt eine hin- und her­ gehende Bewegung im Zylinder 33 in konventioneller Weise aus, um das Volumen der Verbrennungskammer 34 zu verändern. Eine herkömmliche Zündkerze 35 ist ebenfalls im Zylinderkopf 31 vorgesehen.

Der Kolben 32 besitzt in seinem Kopfbereich einen mittleren Hohlraum 36. Dieser hat einen runden Querschnitt mit einem etwa dem halben Durchmesser des Zylinders 33 entsprechenden Durchmesser. Die periphere Wand 37 des Hohlraums ist zylindrisch und hat eine axiale Tiefe, die durch das erforder­ liche Verdichtungsverhältnis der Maschine be­ stimmt ist. Die periphere Wand des Hohlraums 36 kann von leicht konischer Form sein, die sich zum Boden des Hohlraums verjüngt. Weiterhin kann der Boden des Hohlraums konkav sein, wobei die periphere Wand 37 entweder zylindrisch oder konisch ist.

Die Düse der Einspritzeinheit 30 und der Hohlraum 36 sind beide in sich gegenüberstehender Stellung in der Zylinderachse angeordnet, so daß der aus der Düse austretende Brennstoff zum Hohlraum 36 gerichtet wird. Wenn die Einspritzung spät während des Verdichtungstaktes des Kolbens erfolgt, d. h. wenn der Kolben nur einen geringen Abstand von der Einspritzdüse aufweist, wird ein wesent­ licher Anteil des eingespritzten Brennstoffs direkt in den Hohlraum geliefert. Demgemäß wird ein fettes Brennstoff/Luft-Gemisch im Hohlraum 36 erzeugt, das leicht zündbar ist. Es ist daher wünschenswert, die Einspritzung spät während des Verdichtungstaktes zu bewirken, wenn die einge­ spritzte Brennstoffmenge gering ist, wie unter Niedriglastbedingungen. Bei hoher Last dagegen, wenn die Brennstoffmenge groß ist, ist es wünschens­ wert, den Brennstoff weiträumig in der Verbrennungs­ kammer zu verteilen, so daß er mit ausreichender Luft in Berührung kommt, um eine vollständige Verbrennung allen Brennstoffs zu erreichen. Demgemäß wird unter Hochlastbedingungen die Einspritzung früh während des Verdichtungstaktes bewirkt, wenn der Kolben einen größeren Abstand von der Einspritzdüse aufweist, so daß nur ein Teil des Brennstoffs in den Hohlraum 36 eintritt. Dies führt zu einer stärkeren Verteilung des Brennstoffs, so daß er mehr mit sauerstoffhaltigem Gas, wie Luft, in der Verbrennungskammer in Berührung kommt, um eine wirksame Verbrennung des Brennstoffs zu erzielen.

Der tatsächliche Zeitpunkt der Einspritzung zur Erreichung der vorbeschriebenen Wirkung ist von einer Anzahl Faktoren, insbesondere der Maschinengeschwindigkeit, Einspritzgeschwindig­ keit und des vom Brennstoffstrahl umschlossenen Winkels, abhängig. Dementsprechend muß in der Praxis dieser Zeitpunkt für eine bestimmte Maschinen- und Einspritzkombination individuell festgestellt werden.

In einer Dreizylinder-Zweitakt-Verbrennungs­ maschine mit Funkenzündung mit einer Zylinder- Kolben-Konfiguration entsprechend Fig. 2 haben der Zylinder 33 einen Durchmesser von 84 mm und der Kolben 32 einen Hub von 72 mm. Der Hohlraum 36 ist zylindrisch mit einem Durchmesser von 42 mm und einem flachen Boden mit einem axialen Abstand von der Kopffläche des Kolbens von 16,5 mm, gemessen entlang der axialen Mittellinie des Kolbens.

Die Einspritzeinheit 30 hat eine Düse im wesent­ lichen von der Ausbildung nach Fig. 1 mit einem Ventil mit einem Durchmesser von 4,5 mm am zylindrischen Endabschnitt 19, der eine axiale Länge von 0,4 mm besitzt. Der konische Sitz 18 schließt einen Winkel von 90° ein, ebenso wie der konische Sitz 13. Der innere Durchmesser des Erweiterungsabschnitts 20 beträgt 4,97 mm.

Die axiale Länge des Erweiterungsabschnitts 20 ist derart, daß, wenn das Ventil 15 in der voll geöffneten Stellung ist, die Endfläche des Erweiterungsabschnitts 20 nicht tiefer liegt als die Endfläche des Ventils 15.

Wenn das Ventil 15 in der Öffnungsstellung ist, beträgt die Weite des Durchlasses 25 0,247 mm, gemessen in Richtung der Normalen zu den einander gegenüberliegenden konischen Flächen der Sitze 13 und 18, und die Weite des Durch­ lasses 27 beträgt 0,235 mm. Wie bereits fest­ gestellt wurde, verändert sich die Weite des Durchlasses 25 mit dem Grad der Öffnung des Ventils 15, und die Weite des Durchlasses 27 ist gleich für alle Stellungen des Ventils 15. In der vorbeschriebenen, mit einer mit der gezeigten Düse ausgestatteten Einspritzeinheit versehenen Maschine wird Brennstoff typischer­ weise mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s bei einem axialen Abstand von 35 mm von dem Zuführungsende des Durchlasses 27 in die Ver­ brennungskammer eingespritzt. Der Strahl ist normalerweise von konischer Gestalt, divergierend vom Durchlaß 27 aus mit einem eingeschlossenen Winkel von etwa 20°. Mit dieser Düsenkonstruktion und dem Hohlraum 36 mit den vorgenannten Maßen ergibt sich der Zeitpunkt der Brennstoff­ einspritzung typischerweise wie folgt:

Niedriglast: Beginn der Einspritzung 50° vor oberem Totpunkt bei 740 U/min

Ende der Einspritzung 40° vor oberem Totpunkt bei 740 U/min

Hochlast: Beginn der Einspritzung 240° vor oberem Totpunkt bei 5000 U/min

Ende der Einspritzung 110° vor oberem Totpunkt bei 5000 U/min.

Bei der vorbeschriebenen Einspritzeinheit hat der Durchlaß 27 parallele zylindrische Wände, jedoch kann, wie bereits erwähnt wurde, der Durchlaß mit einer oder beiden Wänden eine konische Form haben.

Die hier offenbarte Einspritzdüse kann in jeder bekannten Form einer Einspritzeinheit eingesetzt werden, bei der der Brennstoff mit einem Gas vermischt und das resultierende Gemisch zur Verbrennungskammer geliefert wird. Geeignete Brennstoffdosier- und -einspritzsysteme werden in der internationalen Patentanmeldung PCT/AU 86/00 205 (WO 87/00 580) beschrieben.

Wie festgestellt wurde, können verbesserte Wirkungen durch den Gebrauch des hier beschriebenen Brenn­ stoffeinspritzsystems erhalten werden, indem der Zeitpunkt der Zuführung des Brennstoffs in die Verbrennungskammer variiert wird, um den Anteil des in den Hohlraum des Kolbens gelieferten Brenn­ stoffs zu steuern. Eine typische Konstruktion einer elektromagnetisch betätigten Brennstoff­ einspritzdüse, die zur Erzielung dieser Änderung des Zeitpunktes der Brennstoffzuführung gesteuert werden kann, sowie das Steuersystem hierfür werden nun unter Bezug auf Fig. 3 näher erläutert.

Die Brennstoffdosier- und -einspritzeinheit nach Fig. 3 weist eine geeignete Dosiervorrichtung 38, beispielsweise einen Drosselkörperinjektor auf, die mit einem eine Haltekammer 40 aufweisenden Einspritzkörper verbunden ist. Der Brennstoff wird durch die Brennstoffpumpe 56 aus dem Brennstofftank 55 gezogen und über den Druck­ regler 57 durch die Brennstoffeinlaßöffnung 58 in die Dosiervorrichtung 38 geliefert. Diese Brennstoffdosiervorrichtung arbeitet in bekannter Weise und fördert eine dosierte Brennstoffmenge in die Haltekammer 40 in Übereinstimmung mit dem Brennstoffbedarf der Maschine. Überschüssiger, zur Dosiervorrichtung gelieferter Brennstoff wird über die Brennstoffrückführöffnung 59 wieder in den Brennstofftank 55 zurückgeführt. Der besondere Aufbau dieser Brennstoffdosiervor­ richtung 38 ist nicht kritisch und jede geeignete Vorrichtung kann verwendet werden.

Im Betrieb wird die Haltekammer 40 durch von einer Luftquelle 60 über einen Druckregler 61 und eine Lufteinlaßöffnung 45 in den Körper 39 ge­ lieferte Luft unter Druck gehalten. Das Ein­ spritzventil 15 wird betätigt, damit die unter Druck stehende Luft die dosierte Menge Brennstoffs durch die Einspritzdüse 10 in die Verbrennungs­ kammer 34 der Maschine austreiben kann. Das Ein­ spritzventil 15 ist ein Ringventil (wie in Fig. 1 gezeigt), das sich nach innen in die Verbrennungs­ kammer öffnet, d. h. von der Haltekammer 40 aus gesehen nach außen.

Das Einspritzventil 15 ist über den Ventilschaft 16, der durch die Haltekammer 40 hindurchführt, mit dem Anker 41 eines Elektromagneten 47 gekoppelt, der innerhalb des Körpers 39 ange­ ordnet ist. Das Ventil 15 ist durch eine Tellerfeder 42 in die geschlossene Stellung vorgespannt und wird durch Erregung des Elektromagneten 47 geöffnet.

Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Arbeits­ weise dieses Brennstoffeinspritzsystems sind in der australischen Patentanmeldung Nr. 32 132/84 und im entsprechenden US-Patent Nr. 46 93 224 offenbart.

Die Erregung des Elektromagneten 47 erfolgt in zeitlicher Beziehung zum Maschinenzyklus mit Hilfe eines elektronischen Steuergerätes 50. Dieses erhält ein Eingangssignal vom Ge­ schwindigkeitsmesser 51, das die Maschinenge­ schwindigkeit anzeigt und auch einen Bezugspunkt im Maschinenzyklus identifiziert, gegenüber dem die Operationen in Beziehung zum Maschinen­ zyklus zeitlich festgelegt werden können.

Das Steuergerät 50 erhält auch ein Signal vom Lastsensor 52, das die Luftdurchflußgeschwindigkeit zum Lufteinlaßsystem der Maschine anzeigt. Das Steuergerät ist in der Weise programmiert, daß es aus dem Luftdurchflußgeschwindigkeits­ signal die Lastanforderung der Maschine bestimmt.

Das Steuergerät 50 ist weiterhin so programmiert, daß es aus der Geschwindigkeit und den Lastbe­ dingungen der Maschine die geforderten Zeit­ punkte der Brennstoffeinspritzung in die Ver­ brennungskammer bestimmt.

Das Steuergerät 50 enthält zweckmäßig Kenn­ linien, die die geforderten Einspritzzeitpunkte für einen Bereich von Maschinenlasten und -ge­ schwindigkeiten angeben, die anhand von Ver­ suchen bestimmt wurden, die zur Gewinnung der geforderten Maschinenkraft und der Abgasemmissions­ pegel durchgeführt wurden. Das Steuergerät ist in gleicher Weise programmiert, um die Einspritz­ zeitpunkte der Maschine in Abhängigkeit von der Maschinenlast und -geschwindigkeit zu bestimmen und zu steuern.

Das Steuergerät liefert geeignete Signale zu einem Einspritzbetätigungselement 53 und einem Zündbe­ tätigungselement 54 zur Erregung des Elektro­ magneten 47 zum geforderten Zeitpunkt für die Brennstoffeinspritzung und zur Aktivierung der Zündkerze 35 zum geforderten Zündzeitpunkt. Der allgemeine Aufbau der für die beschriebene Verwendung geeigneten Last- und Geschwindigkeits­ sensoren ist ebenso bekannt wie Steuergeräte zur Durchführung der vom Steuergerät 52 ver­ langten Funktionen.

Das hier offenbarte Brennstoffeinspritzsystem kann für die Lieferung von Brennstoff zu funken­ gezündeten Maschinen eingesetzt werden, die ent­ weder im Zweitaktzyklus oder im Viertaktzyklus arbeiten. Mit dem hier beschriebenen Brennstoff­ einspritzsystem ausgestattete Maschinen können für viele Anwendungen benutzt werden, einschließlich der Maschinen für Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge und Schiffsmaschinen wie Außenbordmaschinen.

Claims (12)

1. Brennstoffeinspritzsystem für eine funkenge­ zündete Verbrennungsmaschine, bei der eine dosierte Menge in einem Gas mitgenommenen Brennstoffs direkt in eine Verbrennungskammer der Maschine durch eine selektiv zu öffnende Düse geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen Düsenkörper (10) mit einem inneren Hohlraum (12), in dem die dosierte Menge Brennstoffs im Gas mitgenommen wird, eine Öffnung (11) im Düsenkörper (10) zur Verbindung des Hohlraums (12) mit einer äußeren Fläche des Düsenkörpers (10), die sich innerhalb der Verbrennungskammer (34) befindet, eine innere ringförmige Dicht­ fläche (13) in der Öffnung (11) zwischen dem Hohlraum (12) und der äußeren Fläche des Düsenkörpers (10), einen Ventilkörper (15) mit einer äußeren ringförmigen Dichtfläche (18), die für einen normalerweise dichtenden Eingriff mit der inneren Dichtfläche (13) geeignet ist, um die Öffnung (11) zu schließen, eine Vorrichtung zur selektiven Bewegung des Ventilkörpers (15) relativ zur Öffnung (11) in eine Öffnungsstellung, eine ringförmige innere Endfläche (21) in der Öffnung (11), die sich von der inneren Dichtfläche (13) zu der äußeren Fläche des Düsenkörpers (10) erstreckt, und eine ringförmige äußere End­ fläche (19) auf dem Ventilkörper (15), die sich von der äußeren Dichtfläche (18) er­ streckt und mit der inneren Endfläche (21) in der Öffnung (11) in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers (15) einen ringförmigen Durchlaß (27) definiert, der im radialen Schnitt einen Winkel zwischen der inneren und der äußeren Endfläche von 0° bis 40° besitzt, wobei die innere Endfläche im radialen Schnitt zur Achse des Durchlasses um einen Winkel von nicht mehr als etwa 15° geneigt ist, und der Durchlaß seine maximale Weite an der äußeren Oberfläche des Düsenkörpers hat, aufweist.

2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere ring­ förmige Endfläche (19) auf dem Ventilkörper (15) im wesentlichen zylindrisch ist.

3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere ringförmige Endfläche (21) in der Öffnung (11) eine konische Form besitzt, die in Richtung des Durchflusses durch den Durchlaß mit einem eingeschlossenen Winkel von nicht mehr als etwa 20° divergiert.

4. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere ringförmige Endfläche (19) des Ventilkörpers (15) eine konische Form besitzt, die in Richtung des Durchflusses durch den Durchlaß mit einem eingeschlossenen Winkel von nicht mehr als 10° konvergiert.

5. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers (15) dieser nicht über die äußere Fläche des Düsenkörpers (10) hinaussteht.

6. Funkengezündete Zweitakt-Verbrennungs­ maschine mit einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben zur Bildung einer Verbrennungskammer mit veränderbarem Volumen und mit einem Brennstoffeinspritz­ system nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (32) ein einen Teil der Verbrennungskammer (34) bildender Hohlraum (36) vorgesehen ist und daß die Düse so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil des aus dem zweiten Durchlaß (27) in die Verbrennungskammer (34) austretenden Brennstoffs so gerichtet ist, daß er in den Hohlraum (36) des Kolbens (32) eintreten kann.

7. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse so angeordnet ist, daß die innere (21) und die äußere (19) ringförmige Endfläche koaxial mit dem Hohlraum (36) des Kolbens (32) verlaufen.

8. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (36) des Kolbens (32) zylindrisch ist.

9. Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Steuerung der Zeitpunkte für die Brennstoffzuführung durch die Düse in die Verbrennungskammer (34) in bezug zum Maschinenzyklus vorgesehen ist, durch die die Zeitpunkte der Brennstoffzuführung in Abhängigkeit von der Maschinenlast über wenigstens einen Teil des Lastbereichs veränderbar ist, derart, daß in diesem Lastbereich der Zeitpunkt für die Brennstoff­ zuführung für niedrige Lasten später liegt als für hohe Lasten, wodurch in jedem Maschinen­ zyklus bei den niedrigen Lasten ein größerer Anteil des Brennstoffs in den Hohlraum (36) des Kolbens (32) geliefert wird als bei den hohen Lasten in diesem Lastbereich.

10. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Zeitpunkte für die Brennstoff­ zuführung so ausgebildet ist, daß bei den niedrigen Lasten der Hauptteil des der Ver­ brennungskammer (34) zugeführten Brennstoffs in den Hohlraum (36) des Kolbens (32) ge­ liefert wird.

11. Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Außenbord-Schiffsmaschine ist.

12. Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kraftfahrzeug-Maschine ist.