-
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer
fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung von
flüssigem Kraftstoff in jeden Motorzylinder.
-
Fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung
sind vorteilhaft, weil sie mit einer homogenen Charge bei
Volllastbetrieb arbeiten können, sowie für Magerbetrieb oder Teil-
lastbetrieb mit einer geschichteten Charge betrieben werden
können. Für eine homogene Ladungsverteilung kann der Kraftstoff
früh im Zyklus eingespritzt werden (wenn sich der Kolben noch
nahe des unteren Endes seines Hubweges befindet) und vermischt
sich dann gut mit der Luft, bevor er gezündet wird. Für eine
geschichtete Ladung dagegen muß der Kraftstoff später im Zyklus
eingespritzt werden, wenn der Kolben nahe am oberen Ende des
Verdichtungshubes ist, so daß der Kraftstoff nicht genug Zeit
hat, sich mit der Luft zu vermischen, bevor er gezündet wird.
-
Diese Betriebsart bereitet jedoch gewisse Probleme, insofern
sich spät im Zyklus eingespritzter Kraftstoff auf dem Kolben
absetzt und damit die Kolbenoberfläche unvermeidlich näßt. Der
an der Kolbenoberfläche haftende Kraftstoff läßt sich nur schwer
verbrennen, weil er nicht mit der Luft vermischt ist und daher
hohe Kohlenwasserstoff- und Rußemissionen verursacht. Wird
Kraftstoff früher im Zyklus eingespritzt, um so die Benetzung
des Kolbens zu verringern, muß auch der Zündzeitpunkt
vorverschoben werden, um einen zündfähigen Bereich der
geschichteten Ladung zu zünden, und darunter kann wiederum die
thermodynamische Ausbeute des Motors leiden, weil die Wärmeabgabe zu
früh erfolgen würde, verglichen mit dem optimalen Zündzeitpunkt
für maximale Leistung.
-
Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen
Brennraumkonstruktion, wie sie in Direkteinspritzmotoren verwendet wird, ist, daß
der Kraftstoffstrahl von der Zündkerze weggerichtet ist, um eine
Nässung der Zündkerzenelektroden zu vermeiden, und wenn eine
geschichtete Ladung erzielt werden soll, ist es schwierig
sicherzustellen, daß ein zündfähiger Bereich in der Nähe der Zündkerze
geschaffen wird.
-
In der US-A-5,421,301 ist vorgeschlagen worden, eine oder
mehrere Kraftstoffeinspritzdüsen in der Seitenwand des Zylinders
in dem von den Kolbenringen bestrichenen Bereich der
Zylinderbohrung anzubringen, und den Strahl auf den Zylinderkopf zu
richten, statt auf den Kolben, und insbesondere auf das
Auslaßventil. Die Einspritzdüsen in dieser Patentschrift sind
Niederdruck-Einspritzdüsen und müssen durch den Kolben am oberen
Ende des Verdichtungshubes von dem Brennraum abgetrennt werden,
die Einspritzung kann daher nur während des Ansaughubes oder
spätestens zu Beginn des Verdichtungshubes stattfinden. Ziel der
Erfindung ist, den Kraftstoff unter Einsatz der Wärme des
Auslaßventils zu verdampfen. Der Nachteil dieses Vorschlages ist,
daß wegen der Kraftstoffverdampfung in einem frühen Stadium des
Verdichtungshubes der Motor nur mit einer homogenen Charge
betrieben werden kann. Die mit einer Ladungsschichtung verbundenen
Vorteile, für welche eine Direkteinspritzung hervorragend
geeignet sein sollte, können also bei diesem Vorschlag nicht
genutzt werden.
-
In der US-A-5,233,956 ist auch vorgeschlagen worden, die
Kraftstoffeinspritzdüse so im Zylinderkopf anzubringen, daß,
während der Kraftstoffstrahl in eine Aussparung im Kolben
gerichtet ist, um eine Ladungsschichtung zu erzeugen, wenn er
während des Verdichtungshubes eingespritzt wird, er auch auf die
Rückseite eines Einlaßventiles gerichtet ist, wenn das
Einlaßventil eine vorgegebene Hubstellung überschritten hat, wenn der
Kraftstoff während des Ansaughubes eingespritzt wird. Die
Absicht ist hierbei, den Kraftstoffstrahl auf die Rückseite des
Einlaßventils aufprallen zu lassen, und ihn in die Einlaßöffnung
zurückprallen zu lassen, bevor er in den Brennraum gesaugt wird.
Die Kraftstoffeinspritzdüse wird mit einem Druck von mehr als 70
kg/cm² betrieben, um zu gewährleisten, daß der Kraftstoffstrahl
mit hoher Energie auf das Einlaßventil auftrifft und so von dem
Ventil abprallt. Eine solche Anordnung ist insofern wirksam, als
sie die Einspritzung einer größen Kraftstoffmenge in den
Brennraum erlaubt, ohne daß dabei die Gefahr einer übermäßigen
Nässung des Kolbens besteht. Andererseits wird dadurch, daß der
Kraftstoffstrahl absichtlich so gerichtet ist, daß er auf die
Rückseite des Einlaßventils auftrifft, das Ventil selbst
unvermeidlich mit Kraftstoff benetzt.
-
Eine Benetzung des Einlaßventils ist aber aus mehreren
Gründen unerwünscht. Erstens ist die Verdunstungsgeschwindigkeit des
flüssigen Kraftstoffilmes deutlich niedriger als diejenige von
fein zerstäubten Kraftstofftröpfchen, wegen deren sehr viel
kleinerer Oberfläche. Zweitens kann ein Film von flüssigem
Kraftstoff, der sich auf dem Einlaßventil ansammelt, Probleme
durch die Verzögerung der Kraftstoffzumessung beim Kaltstart und
bei Übergangsbetriebsbedingungen bereiten Drittens wird die
Verdampfungswärme des Kraftstoffilmes von dem Einlaßventil
abgezogen, und nicht von der Einlaßluft, wie im Falle von fein
zerstäubten Tröpfchen, woraus sich eine geringere Kühlung der
Einlaßluftcharge ergibt sowie eine damit verbundene Minderung
der Verbesserungen des Volumen-Wirkungsgrades und der
Klopftoleranz gegenüber der Verdunstung an der Luft.
-
- Im Hinblick auf eine Minderung wenigstens einiger der
vorstehenden Nachteile liefert die vorliegende Erfindung eine
fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Brennraum mit
veränderlichem Volumen, der durch einen Zylinderkopf, eine
Zylinderbohrung und einen in der Zylinderbohrung hin- und hergehenden
Kolben gebildet wird, wobei der Zylinderkopf eine Zündkerze und
Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist, die jeweils über Einlaß-
und Auslaßventile in den Brennraum führen, worin eine
Kraftstoffeinspritzdüse in dem Brennraum angeordnet ist, die
flüssigen Kraftstoff direkt einspritzt, wobei die
Kraftstoffeinspritzdüse in einem nicht bestrichenen Teil der Zylinderbohrung
positioniert und so ausgerichtet ist, daß der Kraftstoff von der
Einspritzdüse ausgehend in einer geraden Linie ausgerichtet ist,
die von der Einspritzdüse durch die Öffnung des Einlaßventiles
verläuft, wenn das Einlaßventil auf ist, und direkt in das Ende
der Einlaßöffnung reicht, so daß Kraftstofftröpfchen von der
Kraftstoffeinspritzdüse in das Ende der Einlaßöffnung eintreten
können, ohne dabei auf die Rückseite des Einlaßventils
aufzutreffen.
-
Der Kraftstoffstrahl von der Kraftstoffeinspritzdüse hat
vorzugsweise einen kleinen Kegelwinkel und ist dem Ventilschaft
des Einlaßventils gegenüber versetzt ausgerichtet, so daß der
Kraftstoffstrahl direkt in die Einlaßöffnung eintritt, ohne mit
dem Ventilschaft oder der Rückseite des Einlaßventils
zusammenzuprallen. In der Praxis ist der Kegelwinkel des
Kraftstoffstrahls dadurch auf 20º bis 30º beschränkt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Zündkerze im Zylinderkopf in der Achse des Kraftstoffstrahles
angeordnet, und auf der gegenüberliegenden Seite des
Einlaßventils, von der Kraftstoffeinspritzdüse aus gesehen, so daß,
wenn Kraftstoff eingespritzt wird, wenn das Einlaßventil
geschlossen ist, der Kraftstoff bis in die Nähe der Zündkerze
gelangt. Eine derartige. Anordnung erzeugt eine geschichtete
Ladung, die sofort gezündet werden kann, die jedoch das Risiko
einer Nässung der Zündkerzenelektroden bietet, wenn zuviel
Kraftstoff eingespritzt wird. Das Risiko einer nassen Zündkerze
kann jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
reduziert werden, wenn die Einspritzung so eingestellt wird, daß
am Ende des Verdichtungshubes nur eine ausreichende
Kraftstoffmenge eingespritzt wird, um eine zündfähige Wolke zu schaffen,
wobei der Rest des zur Leistungsabgabe erforderlichen
Kraftstoffes in einem früheren Stadium im Zyklus eingespritzt wird,
so daß er sich homogen mit der Ansaugluft vermischt.
-
Im Betrieb hat der bei geschlossenem Einlaßventil
eingespritzte Kraftstoff Tröpfchen von unterschiedlicher Größe. Die
kleineren Tröpfchen werden durch den dynamischen Widerstand der
mit hoher Geschwindigkeit durch die Mündung des Einlaßventils in
entgegengesetzter Richtung einströmenden Luft gebremst und
ändern bald ihre Richtung im Ansaugluftstrom, so daß sie aus der
Mündung des Einlaßventils in derselben Richtung wieder
austreten, aus der sie gekommen sind. Die größeren Tröpfchen werden
auch von dem Ansaugluftstrom gebremst, treten aber in das Ende
der Ansaugöffnung ein. Von dort werden sie seitlich von dem in
der Einlaßöffnung fließenden Luftstrom weggespült und über den
Ventilmantel zurück in den Brennraum getragen. In beiden Fällen
wird der Kraftstoff homogen mit der Ansaugluft vermischt, ohne
daß dabei Kraftstoff von der Oberfläche des Einlaßventils oder
der Ansaugöffnung abprallt, und die daraus resultierende
Ladungsverteilung ist ähnlich derjenigen, wie sie mit
Einspritzsystemen im Einlaßkanal erzielt werden. Im Gegensatz zu
einlaßkanalfesten Einspritzsystemen wird der Kraftstoff jedoch
wesentlich wirksamer verdampft, und es kommt zu sehr wenig bzw. gar
keiner Nässung der Wände der Einlaßöffnung oder des
Einlaßventils, und zwar aus mehreren Gründen. Erstens ist der
Kraftstoffstrahl so gerichtet, daß er mit relativ hoher
Geschwindigkeit gegen den Luftstrom durch die Mündung des Einlaßventils
tritt und einem sehr hohen dynamischen Widerstand und intensiver
Verdunstung ausgesetzt ist, so daß die Tröpfchen sehr schnell
gebremst werden und in ihrer Größe abnehmen. Zweitens sind die
in das Ende der Einlaßöffnung eintretenden Tröpfchen so
gerichtet, daß sie durch den hindernisfreien Teil des
Strömungsquerschnittes der Einlaßöffnung eintreten, in dem sie weiterhin nur
von der Luft getragen werden und seitlich von dem Luftstrom
mitgerissen werden, wenn sie über das Einlaßventil austreten.
Schließlich liefert die im Zylinder mit hohem Kraftstoffdruck
arbeitende Kraftstoffeinspritzdüse viel feinere
Kraftstofftröpfchen als eine in der Einlaßöffnung angeordnete Niederdruck-
Kraftstoffeinspritzdüse. Da das Moment der Kraftstofftröpfchen
exponentiell mit dem Kubik ihres Durchmessers abnimmt, können
die feineren Tröpfchen nicht sehr weit vordringen, bevor sie
vollständig verdampfen, woraus sich eine wesentlich geringere.
Tendenz zur Nässung der Einlaßöffnung oder des Einlaßventils
ergibt.
-
Da der Kraftstoff nicht auf den Kolben gerichtet ist, werden
die durch das Anhaften von Kraftstoff am Kolben bedingten
Probleme der Ruß- und Kohlenwasserstoff-Emissionen vermieden. Ein
Versagen der Zündkerze durch vom Kraftstoff genäßte Elektroden
wird ebenfalls vermieden, weil der Kraftstoff die Zündkerze
nicht erreichen kann, wenn er während des Ansaughubes in die
Einlaßöffnung eingespritzt wird.
-
Eine Ladungsschichtung kann immer erzielt werden, wenn es
gewünscht wird, indem eine kleine Kraftstoffmenge unter Einsatz
derselben Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzt wird, wenn jedoch
das Einlaßventil schon geschlossen ist. In diesem Falle wird der
Kraftstoff spät im Verlauf des Verdichtungshubes eingespritzt
und grundsätzlich auf die Stirnseite des Einlaßventils
gerichtet, in Richtung der Zündkerze, so daß in der Nähe der Zündkerze
eine leicht zündbare Wolke erzeugt wird.
-
Je nach der Betriebsart kann eine solche späte
Kraftstoffeinspritzung alleine oder auch in Kombination mit einer früheren
Einspritzung in die Einlaßöffnung eingesetzt werden, um einen
veränderlichen Grad von Ladungsschichtung zu erzielen.
-
Insbesondere reicht bei Leerlauf und niedriger Motorlast,
wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge klein ist, eine späte
Einspritzung alleine aus. Es ergibt sich daraus eine
Ladungsschichtung, die leicht gezündet werden kann, so daß eine robuste
Zündung auch unter ungedrosselten Ansaugbedingungen
gewährleistet ist.
-
Unter Teillastbedingungen werden zwei Einspritzvorgänge
angewendet, um ein zündfähiges aber insgesamt mageres Gemisch zu
erzielen. Der bei der frühen Einspritzung in Richtung auf die
offene Einlaßmündung versprühte Kraftstoff ergibt ein homogenes
mageres Gemisch, das jedoch nicht zündfähig sein kann, während
die zweite Einspritzung nach dem Schließen des Einlaßventils
eine örtlich hohe Konzentration von Kraftstoff in der Nähe der
Zündkerze erzeugt, so daß eine robuste Zündung gewährleistet
wird. Die frühe Einspritzung kann so geregelt werden, daß das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis insgesamt mit den vorherrschenden
Motorlastbedingungen variiert, die zweite Einspritzung braucht
jedoch nicht mit der Last verändert zu werden, da sie einfach
nur eine zündfähige örtliche Ladungswolke in der Nähe der
Zündkerze erzeugt. Die kleine Kraftstoffmenge der zweiten
Einspritzung bewirkt eine minimale Befeuchtung der Wände im
Zylinderkopf und bereitet keine ernsthaften Emissionsprobleme. Der
Großteil des Kraftstoffes dagegen wird bei der früheren
Einspritzung von der Einlaßcharge in den Zylinder mit eingeführt
und bewirkt dort nicht mehr Wandbenetzung als bei einem Motor
mit einem einlaßkanalfesten Einspritzsystem. Ist die durch die
zweite Einspritzung erzeugte kraftstoffreiche Wolke einmal
gezündet worden, pflanzt sich die Flamme weiter fort und verbrennt
den Kraftstoff in den magereren Bereichen der eingefangenen
Charge komplett.
-
Unter Betriebsbedingungen mit hoher Last kann die späte
Einspritzung wegfallen, da dann die gesamte homogene Ladung gut
zündfähig ist.
-
Es läßt sich somit erkennen, daß die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung dazu eingesetzt werden kann, optimale
Ladungsschichtungsbedingungen
unter allen Lastbedingungen zu
erzielen, während sie aber auch die Probleme durch Nässung der
Einlaßöffnung vermeidet, welche bei Motoren mit Einspritzanlagen
in der Einlaßöffnung vorliegen, sowie die bei
Direkteinspritzmotoren bestehenden Probleme der Nässung der Brennraumwände
vermeidet.
-
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
-
Fig. 1: eine Schnittdarstellung durch einen Zylinder eines
erfindungsgemäßen Motors entlang der unterbrochenen Schnittlinie
I-I in Fig. 2, während des Ansaughubes;
-
Fig. 2: eine Ansicht des Brennraumes in Fig. 1, vom Kolben
in Richtung auf den Zylinderkopf gesehen;
-
Fig. 3: eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, die jedoch
den Kolben nahe der oberen Totpunktstellung im Verdichtungshub
zeigt, und.
-
Fig. 4: eine Ansicht des Brennraumes aus Fig. 3, vom
Kolben in Richtung auf den Zylinderkopf gesehen.
-
Der Motor in den Zeichnungen hat einen Brennraum 10 mit
veränderlichem Volumen, der von einem in einer Bohrung 14 hin- und
hergehenden Kolben 16 und einem Zylinderkopf 12 mit
Einlaßöffnungen 20 und Auslaßöffnungen 30 begrenzt wird. Die
Einlaßöffnungen 20 werden von zwei Einlaß-Tellerventilen gesteuert,
die Ventilschäfte 24 und Ventilköpfe 26 aufweisen, und die
Auslaßöffnungen 30 werden von zwei Auslaß-Tellerventilen mit
Ventilschäften 34 und Ventilköpfen 36 gesteuert. Eine Zündkerze 40
mit einer Funkenstrecke 42 ist zentral im Zylinderkopf 12
angeordnet.
-
Der Motor wird von einem Steuersystem gesteuert, das eine
sogenannte EEC-Einheit (Electronic Engine Control -
elektronische Motorsteuerung) 60 aufweist. Die EEC-Steuereinheit 60 ist
so abgeschlossen, daß sie Signale von verschiedenen Sensoren
empfangen kann, welche die jeweils relevanten Betriebsparameter
wie Motordrehzahl, Last, Temperatur und Kurbelwellenposition
messen, und daß sie die Zündeinstellung, Kraftstoffmenge und den
Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in geeigneter Weise im Einklang mit
einem gespeicherten Algorithmus und Kalibrierdaten steuert.
Bei herkömmlichen Konstruktionen wird eine
Hochdruck-Direkteinspritzdüse im Zylinderkopf angebracht, die von den
Zündkerzenelektroden weg nach unten auf den Kolben 16 gerichtet ist.
Diese Geometrie ist für die Nässung der Kolbenkrone
verantwortlich, was wiederum Rußbildung und Kohlenwasserstoff-Emissionen
mit sich bringt. In der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die von der EEC-Eihheit 60 gesteuerte
Kraftstoffeinspritzdüse 50 in der Zylinderbohrung 14 am
Außenrand des Brennraumes angeordnet. In dieser Position liegt die
Kraftstoffeinspritzdüse 50 über dem oberen Kolbenring, wenn sich
der Kolben in seiner oberen Totpunktlage befindet, d. h. über dem
im Zylinder bestrichenen Bereich in einer ständig freiliegenden
Position.
-
Die Ausrichtung der Kraftstoffeinspritzdüse 50 und die
Ausbildung ihrer Düse ist derart, daß der Kraftstoffstrahl der
Kraftstoffeinspritzdüse relativ schmal und auf die Zündkerze 40
gerichtet ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der
Kraftstoffstrahl direkt auf die Funkenstrecke 42 gerichtet wird, es
wird jedoch vorgezogen, die Einspritzdüse 50 wie in der in Fig.
3 der Zeichnungen dargestellten Weise so auszurichten, daß der
Kraftstoffstrahl auf die Oberfläche des Einlaßventils 26
auftrifft und von dieser Oberfläche auf die Zündfunkenstrecke 42
abgelenkt wird. Dadurch verringert sich die Gefahr einer Nässung
der Zündkerzenelektroden, indem nur feine Tröpfchen und
Kraftstoffdampf bis zur Funkenstrecke 42 vorgelassen werden.
-
Bei derselben Ausrichtung der Einspritzdüse 50 ist diese
Einspritzdüse 50 offenem Einlaßventil 26 auch durch die
Mündung des offenen Einlaßventils 26 direkt in das Ende der
Einlaßöffnung 20 gerichtet, so daß sie den Luftschwall schneidet, der
mit hoher Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung fließt,
wie es die Pfeile 28 in Fig. 1 darstellen. Wie Fig. 1 zeigt,
ist der Strahl also, wenn er während des Ansaugtaktes
eingespritzt wird, bestrebt, durch das geöffnete Einlaßventil 26
zurück in das Ende der Einlaßöffnung 20 zu strömen. Der Großteil
des Strahles landet aber nicht auf der Rückseite des
Einlaßventils 26 oder auf der Wand der Einlaßöffnung 20, da die mit
hoher Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung in den
Zylinder gesaugte Luft 28 den fein zerstäubten Strahl mit sich in
den Brennraum 10 reißt. Der Grad der Beaufschlagung der
Rückseite des Ventils 26 und der Wand der Einlaßöffnung 20 mit
Kraftstofftröpfchen bleibt minimal, weil nur ein sehr kleiner
Wandbereich direkt dem Strahl ausgesetzt ist, und wegen der
feinen Zerstäubung des Strahles durch den hohen Druck der
Kraftstoffeinspritzdüse.
-
Die Kraftstoffeinspritzdüse 50 wird typischerweise mit einem
Druck von 50 kg/cm² betrieben, bei dem sich feine Tröpfchen mit
einem Durchmesser von 20 bis 40 Mikrometern ergeben, und bei dem
die Geschwindigkeit der Tröpfchen noch bei etwa 40 m/s liegt.
Der Luftschwall 28, auf welchen der Kraftstoffstrahl in
entgegengesetzten Richtung auftrifft, bewegt sich typischerweise
mit vergleichbarer Geschwindigkeit, woraus sich eine
Relativgeschwindigkeit von etwa 80 m/s ergibt, wenn die Tröpfchen auf
die Luft treffen. Durch die feine Zerstäubung des Strahles und
die hohe Relativgeschwindigkeit der Luft ist der dynamische
Widerstand für die Kraftstofftröpfchen sehr hoch, und die
Verdampfungsrate der Tröpfchen ist sehr stark, und die kombinierte
Wirkung ist, daß die Tröpfchen innig gemischt der Luft folgen
und in ihrer Größe sehr schnell abnehmen. Aus diesem Grunde
ändern die Tröpfchen sehr rasch ihre Richtung und werden zurück
in den Brennraum 10 gerissen. Tröpfchen, die durch ihre Größe
und höhere Geschwindigkeit tatsächlich bis in die Einlaßöffnung
20 gelangen, sind dann schon ganz erheblich langsamer, kleiner
und weitestgehend verdampft, und nur ein minimaler Anteil
erreicht die gegenüberliegende Wand der Einlaßöffnung 20. Die
meisten Tröpfchen bleiben in dem Durchtrittsquerschnitt der
Einlaßöffnung 20 in der Luft schweben und werden seitwärts von
der Luftströmung mitgerissen, so daß sie zusammen mit dem
Luftschwall 28, 28a, 28b um die Mantelfläche des Einlaßventils 26
herum austreten.
-
Das Auftreffen des Kraftstoffstrahles auf der Rückseite des
Einlaßventils 26 und der Seite des Ventilschaftes 24 kann
vermieden werden, wenn die Kraftstoffeinspritzdüse mit einem
spitzen Sprühwinkel konstruiert wird, und der Kraftstoffstrahl
gegenüber dem Ventilschaft 24 versetzt ausgerichtet wird, so daß
er direkt durch den Durchflußquerschnitt der Einlaßöffnung 20
wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt eintritt, ohne das
Einlaßventil 26 zu benetzen.
-
Ein nasses Einlaßventil ist aus mehreren Gründen
unerwünscht. Erstens ist die Verdunstungsgeschwindigkeit des
flüssigen Kraftstoffilmes wesentlich kleiner als die von sehr feinen
Kraftstofftröpfchen, aufgrund der viel kleineren Oberfläche
derselben. Zweitens erzeugt ein Film flüssigen Kraftstoffes, der
sich auf dem Einlaßventil ansammelt, Probleme durch Verzug bei
der Kraftstoffzumessung beim Kaltstart und unter
Übergangsbetriebsbedingungen. Drittens wird die Verdunstungswärme für den
Kraftstoffilm von dem Einlaßventil abgezogen, und nicht von der
Einlaßluft, wie im Falle von fein zerstäubten Tröpfchen, woraus
sich eine geringere Kühlung der Einlaßluftcharge und damit eine
Minderung der Verbesserungen des Volumenwirkungsgrades und der
Klopftoleranz gegenüber einer Verdunstung an der Luft ergibt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gewährleistet, daß
im wesentlichen der gesamte bei offenem Einlaßventil 26 zurück
in die Einlaßöffnung 20 eingespritzte Kraftstoff in der Luft
zerstäubt wird und in demselben Motorzyklus in den Brennraum 10
eingeleitet wird, wo er homogen in der gesamten Ansaugcharge
verteilt wird.
-
Wie bis hierher beschrieben bietet die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung eine Verbesserung gegenüber
herkömmlichen Direkteinspritzmotoren, in welchen die Einspritzdüse auf
den Kolben gerichtet ist, weil sie die Benetzung des Kolbens
vermeidet. Sie erlaubt aber noch nicht die Optimierung des
Motors für eine ultramagere Verbrennung, weil die Ladung oder
Charge homogen ist und nicht zündfähig sein kann. Zur
Optimierung für eine magere Verbrennung muß die Ladung geschichtet
werden, so daß eine zündfähige Wolke in der Nähe der Zündkerze
vorliegt, selbst wenn der Hauptteil der Ladung nicht genügend
Kraftstoffkonzentration aufweist, selbst zündfähig zu sein.
-
In der bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird eine solche
Ladungsschichtung erreicht, wenn dies in einem Motor
erforderlich ist, und zwar mit der dargestellten
Einspritzdüsengeometrie, indem ein Teil der gewünschten Kraftstoff-Gesamtmenge
separat in den Brennraum eingespritzt wird, wenn das
Einlaßventil gegen Ende des Verdichtungshubes längst geschlossen ist,
wie die Fig. 3 und 4 zeigen. Diese Einspritzung wird durch
die EEC-Einheit 60 gesteuert, die auch den Zündzeitpunkt
steuert, und zwar in einer solchen Weise, daß eine zündfähige
Wolke von Luft und Kraftstoff in der Nähe der Funkenstrecke 42
zu genau dem Zeitpunkt entsteht, wo die Zündkerze bestromt wird.
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt um einen kurzen Zeitraum vor
der Zündung, so daß der Kraftstoff genug Zeit hat, bis in die
Nähe der Zündkerze zu gelangen, nachdem die Einspritzdüse
betätigt worden ist. Dieser separat eingespritzte
Kraftstoffanteil, der nur sehr klein zu sein braucht, strömt entweder über
den Ventilkopf des Einlaßventils 26 weg oder wird von der
Stirnfläche des Einlaßventils 26 abgelenkt, und bildet eine fette
Gemischwolke in der Nähe der Funkenstrecke 42, wie es die in den
Fig. 3 und 4 dargestellte Abfolge zeigt. Selbst wenn der Rest
der Charge zu mager ist, um noch zündfähig zu sein, ist diese
Wolke zündbar, und sobald sie entflammt ist, bildet sich ein
starker Kern, von dem sich die Flammenfront aus fortpflanzt und
die gesamte Charge verbrennt.
-
Die Dauer der Einspritzung der
Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüse liegt typischerweise je nach Motorlast im Bereich
von 0,4 bis 4,0 ms. Bei einer Motordrehzahl von 4000 U/min
entspricht dies einem Kurbelwellenwinkel von maximal 100 Grad ab
einer Einlaßventil-Öffnungsperiode von typischerweise 240 Grad
Kurbelwellendrehung, so daß die Abstimmung der Dauer der frühen
Einspritzung des Hauptteils an Kraftstoff ohne Weiteres derart
machbar ist, daß sie mit der Periode mit maximalem Ventilhub und
höchster Ansaugluft-Strömungsgeschwindigkeit zusammenfällt. Die
Dauer der späten Einspritzung des kleinen Kraftstoffanteils
gegen Ende des Kompressionshubes dagegen sollte so kurz wie
möglich sein, um zu verhindern, das die Zündkerzenelektroden
naßgespritzt werden. Diese Dauer liegt typischerweise im Bereich
von 0,3 ms, welche die kleinste verwendbare und wiederholbare
Einspritzdauer innerhalb der Konstruktionsmöglichkeiten der
heutigen Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüsen darstellt.
-
Unter Leerlaufbedingungen kann die späte Einspritzung gegen
Ende des Verdichtungshubes die Gesamtheit des erforderlichen
Kraftstoffes liefern. Unter Teillastbedingungen kann eine
Kombination aus früher und später Einspritzung eingesetzt werden,
um ein insgesamt mageres Gemisch mit einer kraftstoffreichen
Wolke in unmittelbarer Nähe der Zündkerze zu erzielen. Unter
Vollastbedingungen kann die späte Einspritzung ganz wegfallen,
und es kann auf' das homogene stöchiometrische Gemisch gezählt
werden, das ausschließlich durch die frühe Einspritzung erzielt
wird.
-
Anders ausgedrückt kann der Motor jederzeit normal mit einem
homogenen stöchiometrischen Gemisch und einer herkömmlich
gesteuerten Zündkerze betrieben werden. Zur Kraftstoffeinsparung
bei Leerlauf- und Teillastbedingungen kann die Stärke des
Gemisches reduziert werden, und dies ist bis zu einer bestimmten
Magerverbrennungsgrenze mit einer herkömmlichen Zündungs- und
Kraftstoffeinspritzstrategie machbar. Die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Streckung der
Magerverbrennungsgrenze über diesen Punkt hinaus, wenn es
erforderlich ist, indem auf eine andere Betriebsweise umgeschaltet wird,
in der ein starker zündfähiger Kern geschaffen wird, indem
mittels einer zeitlich entsprechend abgestimmten Einspritzung
kurz vor der normalen Zündung ein kurzer Schub von Kraftstoff
auf die Zündkerze gerichtet wird.
-
Festzuhalten ist hier vor allen Dingen, daß die
Einspritzdüse für den obengenannten kurzen Kraftstoffschub, der vor
Erreichen der Umgebung der Zündkerze zerstäubt werden muß, in
genügendem Abstand von der Zündfunkenstrecke angebracht werden
sollte. Im typischen Falle entspricht der Abstand der
Einspritzdüse von der Zündkerze der Laufzeit der Kraftstofftröpfchen, die
sich auf einige Millisekunden beläuft. Dadurch ist eine Montage
der Einspritzdüse in unmittelbarer Nähe der Zündkerze
ausgeschlossen, und durch die Konstruktion des Brennraumes ist eine
Anordnung der Einspritzdüse am oder nahe dem Umfang der
Zylinderbohrung vorgegeben.
-
Ebenso ist festzuhalten, daß auch beim Betrieb an der Grenze
der Magerverbrennungsfähigkeit der Großteil der Zylinderladung
homogen gemischt ist, und daß die einzige Ladungsschichtung, die
auftritt, das Ergebnis der kleinen zündfähigen Wolke in der Nähe
der Zündfunkenstrecke ist, die einen starken Zündkern bildet.
Hat die Verbrennung einmal angefangen, breitet sich die Flamme
daher von dem Kern weiter in die homogen gemischte Hauptcharge
aus, so daß Magerverbrennungs-Abgasemissionswerte entstehen, die
einer Extrapolation der typischen mit der Verbrennung einer
homogenen mageren Charge erzielten Kurven entsprechen, in
welchen die NOx-Emissionen weiter sinken, wenn der Gehalt des
homogenen Gemisches reduziert wird.
-
Dies steht im Gegensatz zu Motoren mit Direkteinspritzung,
in welchen die gesamte Ladung fortschreitend geschichtet ist.
Solche Motoren haben im typischen Falle übermäßig fette
Verbrennungsbereiche, aus denen sich Rußentwicklung und ein hoher
Anteil von NOx-Emissionen ergibt, sowie übermäßig magere
Verbrennungsbereiche, aus denen sich wegen unvollständiger Verbrennung
ein hoher Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe ergibt. Die
Verbesserung der Abgasemissionen der vorliegenden Erfindung im
Vergleich zu Motoren, in welchen die gesamte Ladung zunehmend
geschichtet ist, verringert die Belastung der
Abgas-Nachbehandlungsanlage zur Erreichung der gesetzlichen Emissionsnormen ganz
wesentlich, bietet aber gleichwertige Vorteile bei der Kraftstoffersparnis.
-
Da der Hauptteil der Charge homogen ist, können alle
bekannten Techniken zur Verbesserung der Verbrennung, wie z. B.
eine verstärkte Verwirbelung, Taumel- oder Turbulenzenbildung,
in einem erfindungsgemäßen Motor angewendet werden.
-
Zwar ist die Erfindung mit Bezugnahme auf einen Motor mit
zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen je Zylinder beschrieben
worden, dies ist aber kein wesentliches Merkmal der Erfindung,
und sie kann ebenso gut auf andere Ventilanordnungen angewendet
werden.