DE8013729U1

DE8013729U1 - Brennkraftmaschine mit kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE8013729U1
Application number: DE19808013729U
Authority: DE
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1979-05-22
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1981-12-17
Also published as: IT1118641B; DE3019467A1; GB2049811A; IT7968082A0; JPS55156213A; SU1080754A3; GB2049811B; US4318377A; FR2457376A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Brennkraftmaschine arbeitet mit geschichteter Ladung, d.h. mit einem nichthomogenen Kraftstoff-Luftgemisch in jedem Zylinder, dessen Konzentration sich innerhalb der Verbrennungskammer von einer Stelle zur anderen ändert, wobei das Gemisch in der die Zündkerze umgebenden Zone mehr angereichert ist. Bekannte Brennkraftmaschinen dieser Art, die mit geschichteter Ladung arbeiten, ermöglichen eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei geringer Belastung bzw. bei niedrigem Drehmoment und eine Verringerung der Luftverschmutzung durch Kontrolle der Abgabe von Kohlenmonoxid und Stickoxiden in den Abgasen bei niedriger und mittlerer Belastung.

Brennkraftmaschinen dieser Art ermöglichen auch die Verwendung von Kraftstoffen mit relativ geringer Klopffestigkeit, die wirtschaftlicher und weniger luftverschmutzend sind, denn ein nichthomogenes Kraftstoff-Luftgemisch bei geschichteter Ladung hat eine geringe Gesamtkonzentration, die einem schwachen Gemisch entspricht und so bemessen ist, daß keine Selbstzündung auftritt.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen mit geschichteter Ladung tritt jedoch das Problem auf, daß die erzielbare Nennleistung eingeschränkt und der Kraftstoffverbrauch sowie die Abgabe von Kohlenmonoxid bei Vollast beachtlich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Vorgang der Ausbildung einer geschichteten Ladung nicht ausreichend genau steuerbar ist und zu einer übermäßigen Anreicherung des Gemischs führt, wenn die Maschine mit Vollast läuft. Ferner ist es im Hinblick auf das Erfordernis, die Ladungsschichtung bis zum Zündzeitpunkt auszubilden und beizubehalten, schwierig, eine schnelle Vermischung der Verbrennungsprodukte aus der angereicherten Zone der Verbrennungskammer mit denjenigen

der schwächer angereicherten Zonen zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei der unterschiedliche Schichtungsgrade der Ladung erzeugt werden, die abhängig von der Drehzahl und der Belastung der Maschine steuerbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise gebrochenen Querschnitt einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung während des Kompressionshubes,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen der Kolben der in Fig. 1 gezeigten Brennkraftmaschine,

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 während des Verbrennungsvorganges,

Fig. 4 einen schematischen Teilschnitt einer Einspritzdüse mit zugeordneter Aufprallfläche in der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Brennkraftmaschine und

Fig. 5 bis 12 acht Varianten der Anordnung nach Fig. 4.

In Fig. 1 bis 3 ist ein Zylinder einer Otto-Brennkraftmaschine dargestellt, der allgemein mit 12 bezeichnet ist. Ein Kolben 14 ist in dem Zylinder 12 abdichtend geführt und an seiner Unterseite mit einem nicht dargestellten Kolben-

bolzen an eine Pleuelstange (nicht dargestellt) in bekannter Weise angeschlossen.

Der Zylinder 12 ist durch einen Zylinderkopf 20 verschlossen, der für jeden Zylinder ein Ansaugventil 22 und ein Austrittsventil (nicht dargestellt) aufweist. Das Ansaugventil 22 und das Austrittsventil werden durch eine obenliegende Nockenwelle 24 gesteuert, die das Ansaugventil 22 öffnet und somit den Eintritt von Luft in den Zylinder 12 über einen Ansaugkanal 26 ermöglicht. Ferner öffnet sie das Austrittsventil und ermöglicht die Abgabe der Verbrennungsgase aus dem Zylinder 12 durch einen Abgaskanal 28.

Der Zylinderkopf 20 ist mit einer seitlichen Bohrung 30 versehen, deren Längsachse in dem Zylinder 12 auf dessen Längsachse ausgerichtet ist und in der die Elektroden 32 einer Zündkerze 34 angeordnet sind. Eine Abschirmung 35 ist an dem Zylinderkopf 20 nahe der Bohrung 30 befestigt und ragt in axialer Richtung in den Zylinder 12 hinein. Die Abschirmung 35, die zwischen der Seitenwand des Zylinders 12 und der Bohrung 30 angeordnet ist, hat eine Aufprallfläche 37, deren Funktion im folgenden noch beschrieben wird und die einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 36 gegenübersteht, welche in der Seitenwand des Zylinders 12 nahe dem Zylinderkopf 20 der Abschirmung 35 gegenüber angeordnet ist.

Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 36 ist mit einer Einspritzpumpe (nicht dargestellt) verbunden und hat vorzugsweise eine Einzeldüse oder eine sogenannte "Zapfendüse". Die Einspritzvorrichtung richtet einen einzigen kompakten Kraftstoffstrahl A unter einem Divergenzwinkel von praktisch 0° und mit hoher Durchdringkraft auch bei geringer Maschinenbelastung praktisch rechtwinkelig auf die Aufprallfläche 37. Hat die Einspritzvorrichtung eine Einzeldüse, so ist deren Durchmesser typisch 0,2 bis 0,3 mm für Brennkraftmaschinen mit einem Hubraum von ca. 500 cm³ pro Zylinder.

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Wie aus Pig. 1 hervorgeht, ist der Kolbenboden 14 dachkantförmig und hat eine größere Fläche 38, die der Einspritzvorrichtung 36 zugewandt ist und parallel zu der ihr gegenüberstehenden Fläche des Zylinderkopfes 20 liegt. Der Kolbenboden hat ferner eine weitere Fläche 40, die kleiner als die Fläche 38 ist.

Der Kolbenboden 14 hat ferner eine halbkugelige. Kammer 42, die als Brennkammer fungiert, wenn sich der Kolben 14 in seinem oberen Totpunkt befindet. Die Mitte der Kammer 42 ist gegenüber der geometrischen Mitte des Kolbenbodens zur Abschirmung 35 hin versetzt. Die Kammer 42 liegt hauptsächlich im oberen Teil des Kolbens 14, so daß während des Maschinenlaufs ausgedehnte Kompressionsflächen gebildet werden, die auch als Quetschspaltflächen bezeichnet werden und zwischen den oberen Flächen des Kolbens 14 und dem Zylinderkopf 20 liegen.

Die Quetschspaltflächen zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen des Zylinderkopfes 20 und des Kolbens 14 sind praktisch kraftstoffrei. Dies führt zu einer beachtlichen Verringerung von Knallerscheinungen oder Frühzündungen beim Lauf der Maschine.

Die Kammer 42 steht seitlich mit einer radialen Aussparung 44 in Verbindung, die auf die Abschirmung 35 ausgerichtet ist und dieser in oberer Tctpunktlage des Kolbens 14 angepaßt ist, wie Fig. 3 zeigt.

Die Aufprallfläche 37 der Abschirmung 35, die in Fig. 4 im einzelnen dargestellt ist, ist flach und durch einen oberen und einen unteren Vorsprungsrand 46 begrenzt, der während der Einspritzphase den direkten Eintritt des eingespritzten Kraftstoffs in die Bohrung 30 verhindert, in der die Elektroden 32 der Zündkerze 34 angeordnet sind.

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Bei Maschinenlauf wird Kraftstoff in jeden Zylinder während der Kompressionsphase (Fig. 1) mit relativ hohem Einspritzdruck und hoher Einspritzgeschwindigkeit eingeführt. Der Grad der Ladungsschichtung, der abhängig von der Maschinenbelastung eintritt, kann durch Änderung der zeitlichen Steuerung der Kraftstoffeinspritzung variiert werden. Das Aufprallen des KraftstoffStrahls A auf die Fläche 37 der Abschirmung 35 verursacht eine feine Zerstäubung des Kraftstoffs im Bereich des Zylinders 12 vor den Elektroden 32 der Zündkerze 34. Der von der Luft während des Kompressionshubes mitgenommene Kraftstoff erreicht die Zündkerzenelektroden 32 in einem fein zerstäubten dampfförmigen Zustand und nicht in Form eines Flüssigkeitsstrahls.

Die Abschirmung 35 verhindert deshalb das Benetzen der der Einspritzvorrichtung 36 gegenüberliegenden Zylinderfläche sowie das Benetzen der Elektroden 32 der Zündkerze 34.

Während sich der Kolben 14 zu seiner oberen Totpunktlage (Fig. 3) bewegt/ erzeugt er im Zylinder 12 eine zylindrische Verwirbelung um eine horizontale Achse. Der äußere Umfangsteil dieses Wirbels ist mit Kraftstoff relativ angereichert, was auf die asymmetrische Position und die Form der Kammer 42 im Kolbenboden und auf die ausgedehnten Quetschspaltflächen zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderkopf 20 zurückzuführen ist.

Während der Verbrennungsphase tritt die Zündung des Kraftstoff-Luftgemischs zuerst am Umfang des horizontalen Wirbels auf und breitet sich schnell in die mittleren Bereiche des Wirbels aus, wo das Kraftstoff-Luftgemisch relativ abgemagert ist. Da diese mittleren Zonen des Wirbels kälter und daher dichter als die Umfangszonen sind, haben sie die Tendenz, zentrifugiert zu werden, und bewegen sich deshalb auf einer zentripetalen Spirale, wodurch eine schnelle Verbrennung des abgemagerten Gemischs gewährleistet ist. Dies

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begünstigt die Verhinderung der Abgabe von Kohlenoxiden in den Abgasen, beschleunigt die Verbrennung und verringert den Leistungsabfall. Die Abgabe unverbrannter Kohlenwasserstoffe wird gleichfalls wirksam verhindert, da das abgemagerte Gemisch in der Mitte des Wirbels nicht in Kontakt mit den Wänden in der Kammer 42 steht, die als Verbrennungskammer arbeitet.

Eine ähnliche Verteilung von Kraftstoff in der Verbrennungskammer des Zylinders 12 kann auch erreicht werden, wenn der Kraftstoff so eingespritzt wird, daß er die Flächen der Kolbenkammer 42 benetzt. Bei einer solchen Anordnung sollte der EinspritzZeitpunkt jedoch viel früher innerhalb der Einführungsphase liegen, um eine vollständige Verdampfung des gesamten Kraftstoffs vor der Zündung zu erreichen. Dies macht es wiederum schwieriger, die Frühzündung oder Knallerscheinungen zu vermeiden, die durch eine Verdampfung der flüchtigeren Primärfraktionen der eingespritzten Ladung zu einem früheren Zeitpunkt des Kompressionshubes auftreten. Deshalb ist es dann nicht möglich hohe Kompressionsverhältnisse anzuwenden und ihre Vorteile zu nutzen, die in einem besseren Kraftstoffverbrauch, dem Betrieb mit abgemagertem Gemisch und der Steuerung der Abgabe giftiger Abgasbestandteile bestehen. Durch eine Anordnung nach der Erfindung wird jedoch eine feine Zerstäubung durch das Aufprallen des Kraftstoffstrahls A mit hoher Energie auf die Aufprallfläche 37 der Abschirmung 35 und damit eine schnellere und gleichzeitige Verdampfung des gesamten eingespritzten Kraftstoffs erzielt. Es ist deshalb möglich, einerseits die Vorverlegung des Einspritz Zeitpunktes zu verringern, andererseits die Knallerscheinungen zu vermeiden, die Abgase zu verbessern und die Frühzündung besser zu steuern.

In Fig. 5 bis 12 sind einige Varianten der Aufprallfläche der Abschirmung 35 gezeigt. Die Aufprallfläche 37 kann flach (Fig. 5) oder konkav sein und kann dann eine kugelige oder zylindrische Krümmung (Fig. 6) haben. Sie kann auch ohne

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vorstehende Kanten 46 arbeiten, wie es in Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Bei einer flachen oder zylindrischen Aufprallfläche 37 kann der Winkel B zwischen der Achse A des Kraftstoffstrahls und der Aufprallfläche 37 (Fig. 8 und 9) von 90° verschieden sein und beispielsweise zwischen 60 und 100° liegen. In diesem Fall ist es möglich, die Zone der Gemischbildung und damit die Kraftstoffverteilung innerhalb der Kammer 42 zu verlagern.

Wenn die Aufprallfläche 37 zylindrisch mit horizontaler Achse ist und Seitenkanten 46 (Fig. 7) aufweist, so beträgt ihre Breite D zwischen den Kanten 46 vorzugsweise 10 bis 20 mm für Brennkraftmaschinen mit einem Hubraum von 300 bis 500 cm³ pro Zylinder.

Die Aufprallfläche 37 kann mit einer einzigen Kante 46 versehen sein, die an dem der Zündkerze 34 zugewandten Teil vorgesehen ist und den direkten Eintritt des Kraftstoffstrahls A in die Bohrung 30 verhindert (Fig. 10). In diesem Fall kann die Aufprallfläche 37 zur Zylinderachse so geneigt sein, daß sie gegenüber der Achse des Zylinders 12 ausgehend von ihrem der Zündkerze 34 zugewandten Ende einen zunehmenden Abstand hat. Die Kante 46 kann alternativ auch ein Ringflansch kreisrunder Gestalt sein, dessen Mitte mit der Achse des KraftstoffStrahls A zusammenfällt.

Die Aufprallfläche 37 kann ferner bei flacher Ausführung (Fig. 11) und bei zylindrischer Ausführung (Fig. 12) so ausgebildet sein, daß sie die Zerstäubung des Kraftstoffs erleichtert. In diesem Fall kann sie eine Oberflächenrauigkeit oder Vorsprünge 48 aufweisen, die auf den Kraftstoffstrahl A gerichtet sind.

Claims

Schutzansprüche

1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der jedem Zylinder eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und eine Zündkerze zugeordnet ist und das Verbrennungskammervolumen eines jeden Zylinders hauptsächlich im jeweiligen Kolben ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet/ daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) nahe dem Zylinderkopf (20) in der Seitenwand des Zylinders (12) angeordnet ist, daß der in dem Kolben (14) liegende Teil der Verbrennungskammer (42) auf einen Teil des Kolbenbodens (38, 40) konzentriert ist und dadurch Quetschspaltflächen zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen (38, 40) des Kolbens (14) und des Zylinderkopfes (20) gebildet sind, daß der Zylinderkopf (20) eine Abschirmung (35) aufweist, die auf der der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) gegenüberliegenden Seite des Zylinders (12) in axialer Richtung in den Zylinder (12) hineinragt, nahe den Elektroden (32) der Zündkerze (34) angeordnet ist und eine Kraftstoffaufprallfläche (37) aufweist, die der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) zugewandt ist/ und daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) einen Kraftstoffstrahl (A) mit einem Divergenzwinkel von praktisch 0° praktisch senkrecht auf die Kraftstoffaufprallfläche (37) richtet, so daß diese eine feine Zerstäubung des Kraftstoffs im Bereich des Zylinders (12) nahe den Elektroden (32) der Zündkerze (34) bewirkt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche (37) eben ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche (37) konkav ist.

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4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeufprallfäche (37) kugelig ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche (37) zylindrisch ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (B) zwischen der Achse des Kraftstoffstrahls (A) und der Kraftstoffaufprallfläche (37), der sich zum Zylinderkopf (20) hin öffnet, zwischen 60 und 100° liegt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche (37) zur Achse des Zylinders (12) so geneigt ist, daß sie ausgehend von ihrem der Zündkerze (34) zugewandten Ende einen zunehmenden Abstand zur Achse des Zylinders (12) hat.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche

(37) eine Oberflächenstruktur hat, die die Zerstäubung des Kraftstoffs erleichtert.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufprallfläche (37) mindestens in einem den Elektroden (32) der Zündkerze (34) naheliegenden Bereich einen Vorsprung (46) aufweist, der zur Innenseite des Zylinders (12) gerichtet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) eine Einzeldüse aufweist.

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11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (36) eine Zapfendüse aufweist.

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