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WO1998019058A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO1998019058A1
WO1998019058A1 PCT/EP1997/005655 EP9705655W WO9819058A1 WO 1998019058 A1 WO1998019058 A1 WO 1998019058A1 EP 9705655 W EP9705655 W EP 9705655W WO 9819058 A1 WO9819058 A1 WO 9819058A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
trough
combustion engine
internal combustion
piston
Prior art date
Application number
PCT/EP1997/005655
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Hellmich
Original Assignee
Ficht Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ficht Gmbh & Co. Kg filed Critical Ficht Gmbh & Co. Kg
Priority to CA002270555A priority Critical patent/CA2270555A1/en
Priority to JP10519977A priority patent/JP2001502773A/ja
Priority to EP97910441A priority patent/EP0948708A1/de
Priority to AU47818/97A priority patent/AU720617B2/en
Publication of WO1998019058A1 publication Critical patent/WO1998019058A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F02B17/005—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
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    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
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    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
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    • F02M51/04—Pumps peculiar thereto
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    • F02B2023/102—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the spark plug being placed offset the cylinder centre axis
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    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
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    • F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and an internal combustion engine according to the preamble of claim 10.
  • Such an internal combustion engine is known from EP 0 463 613 AI.
  • it has a combustion chamber which is delimited by a cylinder, a piston which can be moved up and down and a cylinder head.
  • At least one intake and one exhaust valve are arranged in the cylinder head.
  • an injection nozzle opens into the combustion chamber immediately next to the intake valve and can inject fuel into the combustion chamber at a flat angle.
  • the central part of the cylinder head is extended down into the combustion chamber. In this central area, a spark plug is vertically attached, which projects with its ignition electrodes into the combustion chamber.
  • the piston At top dead center TDC, the piston is in its maximum upper position and is arranged with its piston head directly on the cylinder head.
  • the piston crown In the area of the spark plug, the piston crown has a small, shell-shaped recess which surrounds the ignition electrodes of the spark plug at the top dead center of the piston.
  • a bowl-shaped depression is introduced into the piston crown. The depression extends from the injection nozzle to the recess in the piston crown, in which protrude the ignition electrodes.
  • this internal combustion engine is operated with a low load, a small amount of fuel is injected into the depression of the piston crown, the injected fuel being directed along the spherical depression bottom into the area of the recess or spark plugs.
  • a relatively highly enriched, ignitable mixture thus accumulates in the area of the spark plug.
  • a first amount of fuel is injected shortly after the piston has reached bottom dead center UT.
  • the first quantity of fuel is mixed with the intake air to form a lean fuel / air mixture.
  • a second quantity of fuel is injected when the piston is approximately halfway between top and bottom dead center, so that the fuel strikes the depression approximately perpendicularly and only a small part of it collects in the recess.
  • the previously sprayed-off fuel / air mixture is enriched in the region of the recess to form an ignitable mixture which can be ignited by the spark plug.
  • This internal combustion engine therefore operates at high loads according to the so-called charge stratification principle, after different areas with differently rich fuel / air mixtures are formed in the combustion chamber, the area around the spark plug preferably being richer and thus more ignitable than the other areas.
  • the charge stratification by double injection mainly serves to operate lean-burn engines.
  • an internal combustion engine with a fuel injection control system which generates a stratified charge in a medium load range by injecting fuel in two stages.
  • a first amount of fuel is injected at an early stage and mixes with the intake air to form a lean fuel / air mixture.
  • a second amount of fuel is in the range of shortly before the ignition point Spark plug injected and ignited. The second quantity of fuel serves as an ignition aid for igniting the lean fuel / air mixture.
  • this internal combustion engine is operated with a homogeneous charge distribution.
  • the invention has for its object to obtain a simple method for operating an internal combustion engine by means of charge stratification, which is particularly suitable for two-stroke internal combustion engines.
  • the invention is also based on the object of providing an internal combustion engine in which charge stratification can be effected effectively and in a simple manner and which has very good running properties with the smallest as well as with the medium engine loads.
  • a fuel jet is injected into an internal combustion engine with an injection nozzle into a combustion chamber, which is directed at a steep angle onto a piston crown, a trough being formed in the region of the piston crown on which the fuel jet strikes, so that the fuel flows into the combustion chamber is reflected back.
  • This reflection of the fuel creates an area in the combustion chamber with a certain fuel / air ratio.
  • the fuel / air ratio in this area differs from the rest of the combustion chamber in that the fuel is indirectly introduced by the fuel jet. In this way, a targeted inhomogeneous charge distribution and thus a desired charge stratification is achieved with only a single fuel jet. A complex double injection is not necessary.
  • FIG. 2 shows a vertical section through a combustion chamber of a second exemplary embodiment of an internal combustion engine
  • FIG. 3 shows a vertical section through a combustion chamber of a third exemplary embodiment of an internal combustion engine
  • FIG. 4 is a top view of a piston used in the embodiment shown in FIG. 3;
  • Fig. 5 shows an injection pump in longitudinal section.
  • the method according to the invention is applied to an internal combustion engine 1 which, in a manner known per se, has at least one cylinder 2 in which a piston 3 is movably arranged.
  • the cylinder 2 is closed at the top by a cylinder head 4 till ⁇ .
  • a combustion chamber 5 is delimited by an inner surface 6 of the cylinder 2, an inner surface 7 of the cylinder head 4 and a piston crown 8 of the piston 3.
  • the inner surface 7 of the cylinder head 4 has in the center a dome-shaped or dome-shaped recess 9, which is followed by a flank area 10, which slopes outwards at a flat angle.
  • a bore 11 for receiving a spark plug 12 and a bore 13 for receiving an injection nozzle 14 are made in the cylinder head 4.
  • the bore 13 for the injection nozzle 14 is arranged approximately vertically in the cylinder head 4 or with a slight deviation from a vertical axis 15 of up to approximately 30 °, so that the injection nozzle 14 has a fuel jet 16 perpendicular with a slight inclination with respect to a perpendicular to the Piston base 8 standing axis 15 sprayed against the piston crown 8.
  • the angle a between the axis 15 perpendicular to the piston crown 8 and a longitudinal axis of the bore 13 is in the range from 0 ° to 40 ° and is preferably approximately 10 ° to 20 °.
  • the injection nozzle 13 is preferably designed such that the fuel jet 16 is sprayed off in the form of a cone, the cone angle ⁇ being approximately 15 ° to 40 °.
  • the piston crown 8 is slightly convex, so that the edge area is adapted to the flank area 10 of the cylinder head 4. According to the invention, it has a trough 17.
  • the trough 17 is arranged in the central region of the piston crown 8, in which the fuel jet 16 strikes the piston crown 8.
  • the trough 17 has a flat trough bottom 18 which is delimited by a boundary wall 19 oriented perpendicular to the trough bottom 18. This boundary wall 19 forms a sharp edge 20 with the trough bottom 18.
  • the spark plug 12 includes ignition electrodes 21 and is arranged so that it protrudes with its ignition electrodes 21 in the ejected in the form of a cone the fuel jet 16 in the Zylin ⁇
  • the head 4, wherein the ignition electrodes 21 preferably touch the edge region of the fuel cone.
  • a high-pressure injection device is used as the injection device.
  • the injection device preferably works according to the energy storage principle and in particular according to the solid-state energy storage principle.
  • Injection devices operating according to the energy storage principle are known, for example, from DE-PS 213 472, DE 41 06 015 AI and DE 42 06 817 C2.
  • FIG. 5 shows an injection device operating according to the solid state principle. It is designed as a reciprocating piston pump 30 with an integrated stop valve, wherein it draws fuel from a fuel tank (not shown) on one side (arrow 28) and emits a brief fuel pulse to the injection nozzle 14 on the other side (arrow 29).
  • a coil 37 is arranged in a cylindrical, multi-part housing 31 in an inner space 36 delimited by an outer jacket 32 and a cylindrical inner jacket 33 as well as an end wall 34 on the tank side and an end wall 35 on the pressure line side.
  • the cylindrical inner space 36 of the housing 31 surrounded by the inner jacket 33 is divided into a tank-side and a pressure line-side inner region by a radially inwardly extending ring 38.
  • an annular bead 39 of a piston 40 which is positively and firmly seated in this interior is set against the ring edge of the ring 38, the piston 40 reaching through the ring opening 41 of the ring 38 at a distance and projecting into the tank-side area of the interior 36.
  • the piston 40 is penetrated by a through bore 42, which is expanded in the tank-side end region of the piston and supports a valve 43 there, which is pressed against the valve seat 45 by a coil spring 44 in the direction of the tank side for the closed position, and thus by the action of a valve seat 45 can be opened from the pressure of the tank.
  • a pump cylinder 46 of the reciprocating piston pump is seated in a form-fitting and slidable manner 49 pressed in the inner circumference 36, with a valve stub 51 projecting beyond the end ring surface 50 projecting a little at a radial distance into the interior 36a, which is radially narrowed in this area, and the end line surface of the cylinder 46 on the pressure line side is arranged in the scan of ring 38 and thus a Movement space for the cylinder 46 is created.
  • the cylinder 46 which is positively seated on the inner wall of the interior 36, has axially parallel, frontally open longitudinal grooves 52 in the lateral surface, the function of which is explained below.
  • Valve socket 51 which supports itself against the inner wall of the bore 53a, extends through and projects into the narrowed interior 36a.
  • a plate 56 is expediently fastened, which has holes 57, the function of which is explained below, the plunger stem 55 projecting a little further over the plate 56 and abutting the tank-side bottom surface 58 of the interior 36a.
  • the push rod 55 is selected so long that the tappet disc of the restricted bore 56 from its valve Stitz, the pressure-line side opening 59 lifted 53a, so that a certain gap "X" ge ⁇ forms, is the meaning and purpose of which will be explained below.
  • a coil spring 60 stabilizes this position of the plunger ⁇ valve in the illustrated rest position of the reciprocating pump, by the spring 60 being supported at one end on the end ring surface 50 of the cylinder 46 and at the other end against the plate 56.
  • axially parallel bores 61 extend into the bottom wall and open into an axial valve chamber 62, in which a valve disk 65, which is pressed by a coil spring 64 in the tank direction against a valve seat 63 and which has grooves 66 that can be covered peripherally by the valve seat 63, is arranged that the valve can be opened by a pressure on the tank connection side against the load of the spring 64 and a passage from the valve chamber 62 to the bores 61 is created.
  • the valve chamber 62 is connected to a fuel line leading to the fuel tank (not shown); a pressure line (not shown) is attached to the end wall 35 on the pressure line side or to an extended connecting piece of the inner wall 33, which leads to the spray valve.
  • the arrows drawn in FIG. 5 indicate the path of the fuel.
  • the reciprocating pump shown in FIG. 5 functions as follows: When the coil 37 is excited, the cylinder 46 is accelerated from the rest position shown in the direction of the pressure line almost without resistance, fuel from the interior 36 via the grooves 52 and the bore 53 or the tappet plate space flows towards the interior 36a. The accelerated movement ends abruptly with the impact of the valve seat 59 on the valve plate 54, so that the stored energy of the cylinder 46 is transmitted to the fuel located in the piston chamber. The valve 43 is opened and the pressure on the fuel in the bore 42 or in the pressure line is propagated, as a result of which fuel is sprayed out through the injection nozzle 14. If the excitation is not yet switched off, fuel is sprayed off as long as the cylinder 46 is moved.
  • the tappet valve 54, 55 is taken along by the cylinder 46 and a negative pressure is created in the interior 36, 36a and in the bores 61 and that of the valve 65 delimited antechamber of the valve chamber 62, so that the valve 65 is opened.
  • the fuel flows through the peripheral grooves 66 in the valve plate 54, the antechamber of the valve chamber 62, the bores 61 and the holes 57 in the plate 56 into the interior 36a and via the grooves 52 into the interior 36.
  • the plunger stem 55 After the excitation has been switched off the cylinder is pressed back into its rest or initial position by the spring 47, the plunger stem 55 abutting the bottom wall 58 beforehand and the plunger valve being opened so that fuel passes through the space between the plunger stem and the bore 53a into the bore or the plunger plate antechamber 53 can flow.
  • the valve 43 remains closed. It acts as a stand pressure valve and maintains a stand pressure in the fuel located in the fuel-filled space between the injection valve and the valve plate 54, which is, for example, higher than the vapor pressure of the liquid of the maximum occurring temperature, so that bubbles can be prevented.
  • the fuel that spreads outwards on the bowl floor 18 is braked and reflected back into the combustion chamber 5 with little energy.
  • the secondary fuel jet 16b thus forms a fuel cloud 70 standing above the central region of the piston head 8. Distributed in the fuel cloud 70 the fuel turns into fine particles and forms a homogeneous area with a certain air / fuel ratio.
  • the primary fuel jet 16a Due to the high spray speed, a considerable proportion of the fuel in the primary fuel jet 16a atomizes very finely and mixes with the air in the combustion chamber 5.
  • the main part of the sprayed fuel forms the conical core region of the fuel jet 16a, which in itself is used for ignition by the spark plug 12 is fat.
  • the primary fuel jet 16a consists of fuel droplets of different sizes, the fuel / air ratio in the primary fuel jet 16a is only constant in the smallest partial areas. These partial areas, which each have different air / fuel ratios, flow through the spark gap at high speed between the ignition electrodes 21 of the spark plug 12 during the duration of a spark.
  • the ignition duration of a spark is usually 1 to 2 ms.
  • the duration of the ignition spark is preferably extended to 4 to 5 ms, so that reliable ignition can take place even under unfavorable operating conditions.
  • the internal combustion engine is operated at lower loads than full load according to the invention with little or no throttling of the intake air, so that exhaust gases from the previous work cycle are completely expelled from the combustion chamber. As a result, there is always a much larger amount of air in the combustion chamber 5 than the amount of air required to generate the desired engine power. In extreme cases, the internal combustion engine can even be designed without a throttle valve or throttle valve.
  • the performance of the engine is essentially determined by the per injection process injected fuel quantity set.
  • the arrangement of the injection nozzle 13 and the dome-shaped or dome-shaped recess 9 are preferably designed such that neither the primary nor the secondary fuel jet 16a, 16b come into contact with the combustion chamber inner surfaces 6, 7.
  • This first embodiment Example enables the operation of an internal combustion engine having stratified charge especially when ge ⁇ slightest loads because by the sharp edges defined trough 17 the speed of the reflected fuel is braked sharply and thus its spacious and homogeneous distribution in the combustion chamber 5 is avoided. This enables safe, fast and complete combustion, which is initiated at a very early point in time after the start of injection due to the flammability of the high-energy primary fuel jet at the ignition electrode.
  • both the injection nozzle 14 and the spark plug 12 are arranged laterally offset from the vertical central axis 15 of the cylinder 2 and are separated from one another.
  • a depression 73 is introduced, which is arranged in the area approximately below the injection nozzle 14.
  • the trough 73 has an inclined trough bottom 74, which drops in the direction of the spark plug 12 and rises with a short, steep boundary wall 75 to the convex surface of the piston crown 8 at the edge region of the trough 73 facing the spark plug 12.
  • the boundary wall 75 is arranged approximately at right angles to the trough bottom 74, the transition between the trough bottom 74 and the boundary wall 75 not being sharp-edged, but as a rounded portion 76.
  • An imaginary, straight upward extension extends into the area of the ignition electrodes 21 of the spark plug 12.
  • a fuel jet 16 is injected into the combustion chamber 5 or into the trough 73, it spreads out on the trough bottom 74, a portion of the fuel being deflected by the boundary wall 75 onto the ignition electrodes 21 of the spark plug 12 without being braked.
  • the fuel thus squirts out of the recess 73 laterally in the direction of the spark plug 12 and forms the secondary fuel jet 16b.
  • Understanding of the Absprit- zen of the secondary fuel jet 16b can this injection-molding with the lateral spraying of water verglei ⁇ surfaces when holding a spoon under a jet of water.
  • the fuel impinging in the trough 73 is thus deflected essentially unchecked into the combustion chamber 5 in the direction of the spark plug 12 as a secondary fuel jet 16b.
  • the kinetic energy of this secondary beam 16b is still high enough at the ignition electrode to be ignited safely.
  • This second exemplary embodiment enables the operation of an internal combustion engine with stratified charge, particularly at medium loads. Since the start of the injection process can take place much earlier than the ignition due to the longer travel of the fuel, it is possible to introduce and process larger quantities of fuel. In the combustion chamber 5, where the trough 73 is ideally aligned with respect to the injection nozzle 13 for the instantaneous deflection of part of the fuel 16b, a substantial proportion of the fuel is atomized in the primary jet 16a, mixed with air and reflected from the piston head at a reduced speed. However, the time to ignition is such that there is no large-scale and homogeneous distribution in the combustion chamber, so that there is again charge stratification.
  • the ignition of the overall larger amount of fuel can continue to take place at a thermodynamically favorable time, since only the start of injection and not the ignition time had to be moved earlier. Safe ignition is still ensured by the high-energy deflected partial beam 16b when crossing the spark gap.
  • 3 and 4 show a third preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the double trough 80 is approximately circular in plan view (FIG. 4), with a narrow deflection trough 81, approximately pill-shaped in plan view, and one, the rest of the region of FIG Double trough 80 covering braking reflector trough 82.
  • the deflection trough 81 is approximately V-shaped in cross section (FIG. 3) with two lateral flanks 81a, b and a rounded bottom 81c.
  • the braking reflector trough 82 has a flat, horizontal trough bottom 83 which, adjacent to the deflection trough 81, is delimited by a boundary wall 84 gradually increasing towards the deflection trough 81 and a boundary wall 85 oriented vertically to the trough bottom 83 in the remaining edge region of the braking reflector trough 82 .
  • the dome-shaped or dome-shaped recess 9 in the cylinder head 4 is of somewhat higher design than the above-mentioned exemplary embodiments, the bore 13 for receiving the injection nozzle 14 being made in the zenith of the recess 9.
  • the bore 11 for the spark plug 12 is made somewhat deeper than in the previous exemplary embodiments, in the region of a side wall.
  • the bore 13 of the injection nozzle 14 or the injection nozzle 14 is inclined with respect to the vertical axis 15, so that the axis 15 which is perpendicular to the piston crown 8 and a longitudinal central axis of the injection nozzle 14 enclose an angle ⁇ which is in the range between 0 ° to 40 ° , preferably between 10 ° and 30 °.
  • the ignition electrodes 21 of the spark plug 12 are arranged in the region of the cone jacket of the conical fuel jet 16.
  • this inclination of the injection nozzle 14 is preferably oriented such that the fuel jet is directed into the fresh gas mixture in the cylinder or away from the exhaust port.
  • the deflection trough 81 is arranged below the injection nozzle 14 and the braking-reflector trough 82 below the ignition electrodes 21.
  • the to-deceleration reflector trough 82 adjacent angeord ⁇ designated lateral edge 81b of the Umlenkmulde 81 shows with a straight, upwardly directed extension on spark-plugs electrodes 21 of the spark plug 12.
  • a primary fuel jet 16a is sprayed conically in the direction of the double trough 80 by the injection nozzle 14.
  • a first part of the primary fuel jet 16a atomizes on the way to the injection nozzle 14 to the piston crown 8 and mixes directly with the air in the combustion chamber.
  • the rest of the fuel hits at a steep angle ⁇ of e.g. 70 ° - 90 ° on the piston crown 8.
  • a second part of the primary fuel jet 16a is reflected by the sharp-edged braking reflector trough 82, so that it forms a finely atomized fuel cloud 70.
  • This fuel cloud 70 is arranged essentially over the area of the braking reflector trough 82.
  • a third part of the primary fuel jet 16a is reflected by the deflection trough 81 into the combustion chamber 5 without being braked.
  • the reflected, secondary fuel jet 16 b is directed in the direction of the ignition electrodes 21 when the piston 3 is in the area of top dead center and enriches the fuel / air mixture in the area of the ignition electrodes 21.
  • the internal combustion engine according to the third exemplary embodiment is operated at low load, a small amount of fuel is injected while the piston 3 is at top dead center.
  • the injected fuel comes into contact with the ignition electrodes 21 as a primary fuel jet 16a or crosses the spark gap formed between the ignition electrodes 21.
  • the fuel can be ignited on the primary jet 16a, the smallest amounts of fuel for small amounts due to the short time interval between the start of injection and the ignition Loads can be burned at a thermodynamically favorable time before the fuel cloud is too widely distributed.
  • a fuel cloud 77 formed in the area of the ignition electrodes 21 is ignited, which is essentially enriched with fuel from the reflected, secondary fuel jet 16b.
  • the ignition timing can be selected based on purely thermodynamic criteria. Due to the inventive design of the double trough 80, the fuel in the combustion chamber and depending on the engine load and injection quantity are enriched differently in some areas without double injection, an ignitable fuel / air mixture also always being set in the area of the ignition electrode 21.
  • the ignition timing can be optimized solely from the thermodynamic point of view, both for the smallest and for the medium loads, which are preferably generated in the charge stratification process.
  • the start of injection can be optimized for the desired engine load or for the injection quantity required for this, without having to do without a safe ignition condition on the ignition electrode 21, since a fuel cloud with a rich mixture and sufficient kinetic energy of the droplets is present at all times in question is present.
  • ideal combustion conditions are achieved in the combustion chamber 5, as a result of which a low emission of pollutants is achieved under high load.
  • the invention Brennkraftma ⁇ machine is ben Betrie preferably as a two-stroke internal combustion engine ⁇ .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bzw. eine Brennkraftmaschine. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird Kraftstoff in einen Brennraum so eingespritzt, daß er an einem Kolben reflektiert wird. Hierdurch erfolgt eine Ladungsschichtung im Brennraum. Frischluft wird in den Brennraum unabhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine wenig gedrosselt oder ungedrosselt angesaugt, so daß das Abgas vom vorherigen Arbeitstakt vollständig aus dem Brennraum ausgetrieben wird. Die Leistung der Brennkraftmaschine wird im wesentlichen über die eingespritzte Kraftstoffmenge erzeugt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Ladungsschichtung bewirkt, bei der das Kraftstoff/Luft-Gemisch ideal abbrennt. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist somit eine hohe Laufruhe bei idealen Abgaswerten auf.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der EP 0 463 613 AI bekannt. Sie weist in an sich bekannter Weise einen Brennraum auf, der durch einen Zylinder, einen den Zylinder auf- und abbewegbaren Kolben und einen Zylinderkopf begrenzt ist. Im Zylinderkopf ist zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßventil angeordnet . Am Randbereich des Zylinderkopfes mündet unmittelbar neben dem Einlaßventil eine Einspritzdüse in den Brennraum, die Kraftstoff unter einem flachen Winkel in den Brennraum einspritzen kann. Der Zylinderkopf ist in seinem mittigen Bereich nach unten in den Brennraum verlängert. In diesem mittigen Bereich ist eine Zündkerze vertikal befestigt, die mit ihren Zündelektroden in den Brennraum rag .
Am oberen Totpunkt OT befindet sich der Kolben in seiner maximalen oberen Stellung und ist mit seinem Kolbenboden unmittelbar am Zylinderkopf angeordnet. Im Bereich der Zündkerze weist der Kolbenboden eine kleine schalenförmige Ausnehmung auf, die die Zündelektroden der Zündkerze im oberen Totpunkt des Kolbens umfaßt. Im Bereich unterhalb des Einlaßkanals ist in den Kolbenboden eine schalenförmige Senke eingebracht . Die Senke erstreckt sich von der Einspritzdüse bis zur Ausnehmung im Kolbenboden, in die die Zündelektroden ragen.
Wird diese Brennkraf maschine mit geringer Last betrieben, so wird eine kleine Brennstoffmenge in die Mulde des Kolbenbodens eingespritzt, wobei der eingespritzte Kraftstoff entlang dem sphärischen Muldenboden in den Bereich der Ausnehmung bzw. Zündkerzen geleitet wird. Im Bereich der Zündkerze sammelt sich somit ein relativ stark angereichertes, zündfähiges Gemisch an.
Bei höherer Last wird eine erste Kraftstoffmenge eingespritzt, kurz nachdem der Kolben den unteren Totpunkt UT erreicht hat . Die erste Kraftstoffmenge wird mit der angesaugten Luft zu einem mageren Kraftstoff/Luft -Gemisch gemischt. Eine zweite Kraftstoffmenge wird eingespritzt, wenn sich der Kolben etwa auf halber Höhe zwischen dem oberen und unteren Totpunkt befindet, so daß der Kraftstoff etwa senkrecht auf die Senke auftrifft und sich nur ein kleiner Teil davon in der Ausnehmung ansammelt . Hierdurch wird das vorab abgespritzte Kraftstoff/Luft -Gemisch im Bereich der Ausnehmung zu einem zündfähigen Gemisch angereichert, das durch die Zündkerze gezündet werden kann.
Diese Brennkraftmaschine arbeitet somit bei hoher Last nach dem sogenannten Ladungs-Schichtungsprizip, nachdem im Brennraum unterschiedliche Bereich mit unterschiedlich fetten Kraftstoff/- Luft-Gemischen ausgebildet sind, wobei der Bereich um die Zündkerze vorzugsweise fetter und damit zündfähiger als die übrigen Bereiche ist. Die Ladungsschichtung durch Doppeleinspritzung dient vor allem zum Betreiben von Magermotoren.
Aus der DE 41 10 618 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritz-Steuersystem bekannt, das in einem mittleren Lastbereich eine Ladungsschichtung durch zweistufiges Einspritzen von Kraftstoff erzeugt. Eine erste Kraftstoffmenge wird frühzeitig eingespritzt und mischt sich mit der angesaugten Luft zu einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch. Eine zweite Kraft¬ stoffmenge wird kurz vor dem Zündzeitpunkt in den Bereich der Zündkerze eingespritzt und gezündet. Die zweite Kraftstoffmenge dient als Zündhilfe zum Zünden des mageren Kraftstof /Luft-Gemisches . Bei größeren Lasten wird diese Brennkraftmaschine mit einer homogenen Ladungsverteilung betrieben.
Das Betreiben von Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung, insbesondere von Zweitaktbrennkraftmaschinen, hat sich bisher nicht durchsetzen können, da die Einspritzverfahren sehr aufwendig sind und zudem keine befriedigenden Laufeigenschaften beim Übergang vom Betrieb mit Ladungsschichtung zum Betrieb mit homogener Gemischaufbereitung erreicht werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mittels Ladungsschichtung zu erhalten, das insbesondere für Zweitaktbrennkraft- maschinen geeignet ist. Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, in der eine Ladungsschichtung effektiv und auf einfache Art und Weise herbeigeführt werden kann und die bei kleinsten als auch bei mittleren Motorlasten sehr gute Laufeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in eine Brennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse ein Kraftstoffstrahl in einen Brennraum eingespritzt, der unter einem steilen Winkel auf einen Kolbenboden gerichtet ist, wobei im Bereich des Kolbenbodens, auf den der Kraftstoffstrahl auftrifft, eine Mulde ausgebildet ist, so daß der Kraftstoff in den Brennraum zurückreflektiert wird. Diese Reflektion des Kraftstoffes erzeugt im Brennraum einen Bereich mit einem bestimmten Kraf stoff/Luft-Verhältnis . Das Kraftstoff/Luf -Verhältnis in diesem 3ereich unterscheidet sich vom übrigen Bereich des Brennraumes, indem der Kraftstoff un- mittelbar durch den Kraftstoffstrahl eingebracht wird. Hierdurch wird mit nur einem einzigen Kraftstoffstrahl eine gezielte inhomogene Ladungsverteilung und damit eine gewünschte Ladungs- schichtung erzielt. Eine aufwendige Doppeleinspritzung ist nicht notwendig.
Diese geschichtete Ladung brennt in allen Lastzuständen ideal ab, da die Frischluft immer ungedrosselt angesaugt wird, so daß alle Abgase von dem vorhergehenden Arbeitstakt aus dem Brennraum ausgetrieben sind und dieser immer mit Frischluft gefüllt ist. Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ,
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch einen Brennraum eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Brennkraftmaschine,
Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch eien Brennraum eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Kolben, der bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
Fig. 5 eine Einspritzpumpe im Längsschnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einer Brennkraftmaschine 1 angewandt, die in an sich bekannter Weise zumindest einen Zylinder 2 aufweist, in dem ein Kolben 3 beweglich angeordnet ist. Der Zylinder 2 ist oben durch einen Zylinderkopf 4 abge¬ schlossen. Ein Brennraum 5 wird durch eine Innenfläche 6 des Zylinders 2, einer Innenfläche 7 des Zylinderkopfes 4 und einen Kolbenboden 8 des Kolbens 3 begrenzt. Die Innenfläche 7 des Zylinderkopfes 4 weist im Zentrum eine dom- bzw. kuppeiförmige Ausnehmung 9 auf, an der sich ein nach außen, unter einem flachen Winkel schräg abfallender Flankenbev reich 10 anschließt.
Im Bereich der Ausnehmung 9 ist in dem Zylinderkopf 4 eine Bohrung 11 zur Aufnahme einer Zündkerze 12 und eine Bohrung 13 zur Aufnahme einer Einspritzdüse 14 angebracht. Die Bohrung 13 für die Einspritzdüse 14 ist etwa vertikal im Zylinderkopf 4 bzw. mit einer geringen Abweichung gegenüber einer vertikalen Achse 15 von bis zu etwa 30° angeordnet, so daß die Einspritzdüse 14 einen Kraftstoffstrahl 16 senkrecht mit einer geringen Neigung gegenüber einer senkrecht auf dem Kolbenboden 8 stehenden Achse 15 gegen den Kolbenboden 8 abspritzt. Der Winkel a zwischen der auf dem Kolbenboden 8 senkrecht stehenden Achse 15 und einer Längsachse der Bohrung 13 liegt im Bereich von 0° bis 40° und beträgt vorzugsweise etwa 10° bis 20°. Die Einspritzdüse 13 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der Kraftstoffstrahl 16 in Form eines Kegels abgespritzt wird, wobei der Kegelwinkel ß etwa 15° bis 40° beträgt.
Der Kolbenboden 8 ist leicht konvex gewölbt, so daß der im Randbereich an den Flankenbereich 10 des Zylinderkopfes 4 angepaßt ist. Er weist erfindungsgemäß eine Mulde 17 auf. Die Mulde 17 ist im mittigen Bereich des Kolbenbodens 8 angeordnet, in dem der Kraftstoffstrahl 16 auf den Kolbenboden 8 auftrifft.
Im ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) weist die Mulde 17 einen ebenflächigen Muldenboden 18 auf, der durch eine senkrecht auf den Muldenboden 18 ausgerichtete Begrenzungswandung 19 begrenzt ist. Diese Begrenzungswandung 19 bildet mit dem Muldenboden 18 eine scharfe Kante 20.
Die Zündkerze 12 weist Zündelektroden 21 auf und ist im Zylin¬ derkopf 4 so angeordnet, daß sie mit ihren Zündelektroden 21 in den in Form eines Kegels abgespritzten Kraftstoffstrahl 16 ragt, wobei die Zündelektroden 21 vorzugsweise den Randbereich des Kraftstoffkegeis berühren.
Als Einspritzvorrichtung wird eine Hochdruckeinspritzeinrichtung verwendet. Vorzugsweise arbeitet die Einspritzvorrichtung nach dem Energiespeicherprinzip und insbesondere nach dem Festkörper- Energiespeicherprinzip. Nach dem Energiespeicherprinzip arbeitende Einspritzvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-PS 213 472, der DE 41 06 015 AI und der DE 42 06 817 C2 bekannt.
In Fig. 5 ist eine nach dem Festkörperprinzip arbeitende Einspritzvorrichtung dargestellt. Sie ist als Hubkolbenpumpe 30 mit integriertem Anschlagventil ausgebildet, wobei sie auf einer Seite Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) ansaugt (Pfeil 28) und auf der anderen Seite einen kurzzeitigen Kraftstoffimpuls zur Einspritzdüse 14 abgibt (Pfeil 29) .
In einem zylindrischen mehrteiligen Gehäuse 31 ist in einer von einem Außenmantel 32 und einem zylindrischen Innenmantel 33 sowie einer tankseitigen Stirnwandung 34 und einer drucklei- tungsseitigen Stirnwand 35 begrenzten Innenraum 36 eine Spule 37 angeordnet. Der vom Innenmantel 33 umgebene zylindrische Innenraum 36 des Gehäuses 31 wird durch einen sich radial nach innen erstreckenden Ring 38 in einen tankseitigen und einen drucklei- tungsseitigen Innenraumbereich abgeteilt. Druckleitungsseitig ist gegen die Ringkante des Ringes 38 ein formschlüssig und fest in diesem Innenraum sitzender Ringwulst 39 eines Kolbens 40 gesetzt, wobei der Kolben 40 die Ringöffnung 41 des Ringes 38 mit Abstand durchgreift und in den tankseitigen Bereich des Innenraumes 36 ragt. Der Kolben 40 ist von einer durchgehenden Bohrung 42 durchsetzt, die im tankseitigen Endbereich des Kolbens erweitert ausgebildet ist und dort ein Ventil 43 lagert, das von einer Schraubenfeder 44 in Richtung Tankseite für die Schließstellung gegen einen Ventilsitz 45 gedrückt wird, mithin durch die Einwirkung eines von der Tankseite wirkenden Druckes geöffnet werden kann. Auf dem im tankseitigen Innenraumbereich des Innenraumes 36 befindlichen Teil des Kolbens 40 sitzt formschlüssig und gleitbar ein Pumpenzylinder 46 der Hubkolbenpumpe, der von einer sich einendig auf den Ring 38 und anderendig an einer Ringstufe 48 des Zylinders abstützenden Schraubenfeder 47 mit seiner tankseitigen Stirnfläche gegen eine Ringstufe 49 im Innenrum 36 gedrückt, wobei ein die Stirnringfläche 50 überragender Ventilstutzen 51 mit radialem Abstand ein Stück in den in diesem Bereich radial verengten Innenraum 36a ragt, und wobei die druck- leitungsseitige Stirnringfläche des Zylinders 46 im Abscand von Ring 38 angeordnet ist und somit ein Bewegungsraum für den Zylinder 46 geschaffen wird. Der formschlüssig an der Innenwandung des Innenraumes 36 geführt sitzende Zylinder 46 weist achsparallele, stirnseitig offene Längsnuten 52 in der Mantelfläche auf, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
In der den Pumpenzylinder 46 durchsetzenden, durchgehenden und den Kolben 40 aufnehmenden Bohrung 53 lagert tankseitig ein dem Kolben 40 vorgeordnetes Stδßenventil , dessen Stößelteller 54 im Abstand von der Stirnringfläche des Kolbens 40 in einer kurzen Bohrungserweiterung angeordnet ist und dessen Stößenstiel 55 die verengte Bohrung 53a im Ventilstutzen 51, sich gegen die Innenwandung der Bohrung 53a abstützend, durchgreift und in den verengten Innenraum 36a ragt.
Am freien Ende des Stößelstiels 55 ist zweckmäßigerweise ein Teller 56 befestigt, der Löcher 57 aufweist, deren Funktion weiter unten erläutert wird, wobei der Stößelstiel 55 noch ein Stück über den Teller 56 hinausragt und gegen die tankseitige Bodenfläche 58 des Innenraumes 36a stößt. Dabei ist der Stößelstiel 55 so lang gewählt, daß der Stößelteller 56 von seinem Ventilstitz, der druckleitungsseitigen Öffnung 59 der verengten Bohrung 53a abgehoben ist, so daß ein bestimmter Spalt "X" ge¬ bildet wird, dessen Sinn und Zweck weiter unten erläutert wird. Eine Schraubenfeder 60 stabilisiert diese Stellung des Stößel¬ ventils in der abgebildeten Ruhestellung der Hubkolbenpumpe, indem sich die Feder 60 einendig auf der Stirnringfläche 50 des Zylinders 46 und anderendig gegen den Teller 56 abstützt.
Von der Bodenfläche 58 erstrecken sich achsparallele Bohrungen 61 in die Bodenwandung und münden in einen axialen Ventilraum 62, in dem ein von einer Schraubenfeder 64 in Tankrichtung gegen einen Ventilsitz 63 gedrückter Ventilteller 65 angeordnet ist, der peripher vom Ventilsitz 63 abdeckbare Rillen 66 aufweist, so daß das Ventil durch einen tankanschlußseitigen Druck gegen die Belastung der Feder 64 geöffnet werden kann und ein Durchgang vom Ventilraum 62 zu den Bohrungen 61 geschaffen wird.
Der Ventilraum 62 steht mit einer zum Kraftstofftank führenden Kraftstoffleitung in Verbindung (nicht dargestellt) ; an die druckleitungsseitige Stirnwandung 35 bzw. an einen verlängerten Stutzen der Innenwandung 33 wird eine Druckleitung angesetzt (nicht dargestellt), die zum Abspritzventil führt. Die in der Fig. 5 gezeichneten Pfeile deuten den Weg des Kraftstoffes an.
Die in Fig. 5 abgebildete Hubkolbenpumpe funktioniert wie folgt: Durch die Erregung der Spule 37 wird der Zylinder 46 aus der abgebildeten Ruhestellung in Richtung Druckleitung nahezu widerstandslos beschleunigt, wobei aus dem Innenraum 36 über die Nuten 52 und der Bohrung 53 bzw. dem Stößeltellerraum Kraftstoff in Richtung Innenraum 36a abfließt. Die beschleunigte Bewegung endet mit dem Auftreffen des Ventilsitzes 59 auf dem Ventilteller 54 abrupt, so daß die gespeicherte Energie des Zylinders 46 auf dem in den Stόßelvorraum befindlichen Kraftstoff übertragen wird. Das Ventil 43 wird geöffnet und der Druck auf den in der Bohrung 42 bzw. in der Druckleitung befindlichen Kraftstoff fortgepflanzt, wodurch ein Abspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzdüse 14 erfolgt. Wenn die Erregung dann noch nicht abgeschaltet ist, wird solange Kraftstoff abgespritzt, wie der Zylinder 46 bewegt wird. Das Stößelventil 54, 55 wird dabei vom Zylinder 46 mitgenommen und es entsteht ein Unterdruck in den Innenräumen 36, 36a sowie in den Bohrungen 61 und dem vom Ventil 65 abgegrenzten Vorraum des Ventilraums 62, so daß das Ventil 65 geöffnet wird. Der Kraftstoff fließt vom Tank kommend durch die peripheren Rillen 66 im Ventilteller 54, den Vorraum des Ventilraums 62, die Bohrungen 61 und die Löcher 57 im Teller 56 in den Innenraum 36a sowie über die Nuten 52 in den Innenraum 36. Nach dem Abschalten der Erregung wird der Zylinder von der Feder 47 in seine Ruhe- bzw. Ausgangsstellung zurückgedrückt, wobei vorher der Stößelstiel 55 gegen die Bodenwandung 58 stößt und das Stößelventil geöffnet wird, so daß Kraftstoff durch den Zwischenraum zwischen dem Stößelstiel und der Bohrung 53a in die Bohrung bzw. den Stößeltellervorraum 53 fließen kann. Dabei bleibt das Ventil 43 geschlossen. Es wirkt als Standdruckventil und hält in dem zwischen dem Einspritzventil und dem Ventilteller 54 befindlichen, mit Kraftstoff gefüllten Raum einen Standdruck im Kraftstoff aufrecht, der z.B. höher ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit der maximal auftretenden Temperatur, so daß eine Blasenbildung verhindert werden kann.
Mit der Hubkolbenpumpe 30 kann Kraftstoff mit mehr als 40 bar, vorzugsweise 60 bar, in den Brennraum 5 eingespritzt werden. Hierdurch wird der Kraftstoffstrahl 16 mit einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 15 bis 35 m/sec aus der Einspritzdüse 13 gespritzt .
Erfindungsgemäß unterscheidet man zwischen einem primären Kraftstoffstrahl 16a, der sich zwischen der Einspritzdüse 14 und dem Kolbenboden 8 erstreckt und einem reflektierten, sekundären Kraftstoffstrahl 16b, der vom Kolbenboden 8 bzw. dessen Mulde 17 zurück in den Brennraum 5 reflektiert wird.
Da die Mulde 17 durch die Begrenzungswandung 19 scharfkantig begrenzt ist, wird der sich am Muldenboden 18 nach außen ausbreitende Kraftstoff abgebremst und mit wenig Energie zurück in den Brennraum 5 reflektiert. Der sekundäre Kraftstoffstrahl 16b bildet somit eine über dem mittigen Bereich des Kolbenbodens 8 stehende Kraftstoffwolke 70. In der Kraftstoffwolke 70 verteilt sich der Kraftstoff in feinste Partikel und bildet einen homogenen Bereich mit einem bestimmten Kraftstoff/Luft-Verhältnis .
Durch die hohe Abspritzgeschwindigkeit zerstäubt ein beträchtlicher Anteil des Kraftstoffes im primären Kraftstoffstrahl 16a sehr fein und vermischt sich mit der Luft im Brennraum 5. Der Hauptteil des abgespritzten Kraftstoffes bildet den kegelförmigen Kernbereich des KraftstoffStrahles 16a, der an sich für eine Zündung durch die Zündkerze 12 zu fett ist. Da der primäre Kraftstoffstrahl 16a jedoch aus Kraftstofftropfchen unterschiedlicher Größe besteht, ist im primären Kraftstoffstrahl 16a das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nur in kleinsten Partialbereichen konstant. Diese Partialbereiche, die jeweils unterschiedliche Kraftstoff/Luft-Verhältnisse aufweisen, durchströmen mit hoher Geschwindigkeit die Funkenstrecke zwischen den Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 während der Brenndauer eines Zündfunkens . Die Brenndauer eines Zündfunkens beträgt üblicherweise 1 bis 2 ms. Dies genügt, daß mehrere Partialbereiche mit unterschiedlichen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen die Funkenstrecke durchqueren, wobei die relativ mageren Partialbereiche durch den Zündfunken gezündet werden, so daß sowohl die durch den sekundären Kraftstoffstrahl 16b erzeugte Kraftstoffwolke 70 als auch der sich im Brennraum 5 aus dem primären Kraftstoffstrahl 16a zerstäubte Kraftstoff abbrennen. Die Brenndauer des Zündfunkens wird vorzugsweise auf 4 bis 5 ms verlängert, so daß auch während ungünstiger Betriebszustände eine sichere Zündung erfolgen kann.
Die Brennkraftmaschine wird bei niedrigeren Lasten als Vollast erfindungsgemäß ohne oder nur mit geringer Drosselung der Ansaugluft betrieben, so daß Abgase aus dem vorherigen Arbeitstakt vollständig aus dem Brennraum ausgetrieben werden. Hierdurch befindet sich im Brennraum 5 immer eine weit größere Luftmenge als die zur Erzeugung der gewünschten Motorleistung notwendige Luftmenge. Im Extremfall kann die Brennkraftmaschine sogar ohne Drosselklappe bzw. Drosselventil ausgebildet sein. Die Leistung des Motors wird im wesentlichen durch die pro Einspritzvorgang eingespritzte Kraf stoffmenge eingestellt.
Dieser Betrieb in niedrigeren Motorlasten mit nur wenig oder überhaupt nicht gedrosselter Ansaugluft in Verbindung mit einer Ladungsschichtung mittels Reflektion auf dem Kolbenboden 8 bewirkt überaus gute Abgaswerte bei gleichzeitig exakter Leistungskontrolle der Brennkraftmaschine bis hin zum lastfreien Lauf. Die Anordnung beeinträchtigt andererseits die maximal mögliche Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine in keinster Weise, so daß die üblichen Hubraum-spezifischen Leistungen erzeugt werden. Hierdurch ist es auch möglich, eine Zweitaktbrennkraftmaschine sehr wirkungsvoll mit Ladungsschichtung zu betreiben, wobei nur ein einziger Einspritzvorgang pro Arbeitstakt notwendig ist. Durch den vollständigen Austausch des Abgases durch Frischluft wird in allen Lastbereichen ein ideales Abbrennen des Kraftstof f/Luft -Gemisches erzielt, so daß die Brennkraftmaschine in allen Lastbereichen gute Gleichlaufeigenschaften aufweist.
Durch die Ausbildung des Flankenbereiches 10 am Zylinderkopf 4 und die entsprechend konvex geformte Oberfläche des Kolbenbodens 8, die im oberen Totpunkt mit geringem Abstand zu dem Flankenbereich 10 des Zylinderkopfes 4 angeordnet ist, wird während des Kompressionshubes Luft aus den Randbereichen des Zylinders 2 in den mittigen Bereich über der Mulde 17 (Pfeil 72) gepreßt, so daß durch die hierdurch erzeugte Verwirbelung die Durchmischung des Luft/Kraftstoff-Gemisches optimiert wird.
Die Anordnung der Einspritzdüse 13 und der dom- bzw. kuppeiförmigen Ausnehmung 9 sind vorzugsweise so ausgestaltet, daß weder der primäre noch der sekundäre Kraftstoffstrahl 16a, 16b mit den Brennrauminnenflächen 6 , 7 in Berührung kommen.
Dieses erste Ausführungsbeipiel ermöglicht den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit geschichteter Ladung besonders bei ge¬ ringsten Lasten, da durch die scharfkantig abgegrenzte Mulde 17 die Geschwindigkeit des reflektierten Kraftstoffs stark abgebremst wird und somit dessen weiträumige und homogene Verteilung im Brennraum 5 vermieden wird. Dies ermöglicht eine sichere, schnell und vollständig ablaufende Verbrennung, die durch die leichte Entflammbarkeit des energiereichen primären Kraftstoffstrahles an der Zündelektrode schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach Einspritzbeginn eingeleitet wird.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind swohl die Einspritzdüse 14 als auch die Zündkerze 12 seitlich von der vertikalen Mittelachse 15 des Zylinders 2 versetzt angeordnet und voneinander entfernt. Im Kolbenbereich 8 ist wiederum eine Mulde 73 eingebracht, die im Bereich etwa unterhalb der Einspritzdüse 14 angeordnet ist. Die Mulde 73 weist einen geneigten Muldenboden 74 auf, der in Richtung zur Zündkerze 12 abfällt und an dem zur Zündkerze 12 zeigenden Randbereich der Mulde 73 mit einer kurzen, steilen Begrenzungswandung 75 bis zur konvexen Oberfläche des Kolbenbodens 8 ansteigt. Die Begrenzungswandung 75 ist etwa rechtwinklig zum Muldenboden 74 angeordnet, wobei der Übergang zwischen dem Muldenboden 74 und der Begrenzungs- wandung 75 nicht scharfkantig, sondern als Rundung 76 ausgebildet ist. Eine gedachte, nach oben gerichtete geradlinige Verlängerung ersteckt sich in den Bereich der Zündelektroden 21 der Zündkerze 12.
Wird ein Kraftstoffstrahl 16 in den Brennraum 5 bzw. in die Mulde 73 eingespritzt, so breitet er sich auf dem Muldenboden 74 aus, wobei ein Teil des Kraftstoffes ungebremst mittels der Begrenzungswandung 75 auf die Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 abgelenkt wird. Der Kraftstoff spritzt somit aus der Mulde 73 seitlich in Richtung zur Zündkerze 12 ab und bildet den sekundären Kraftstoffstrahl 16b. Zum besserer. Verständnis des Absprit- zens des sekundären KraftstoffStrahles 16b kann man diesen Abspritzvorgang mit dem seitlichen Abspritzen von Wasser verglei¬ chen, wenn man einen Löffel unter einen Wasserstrahl hält. Der in der Mulde 73 auftreffende Kraftstoff wird somit im wesentlichen ungebremst in den Brennraum 5 in Richtung zur Zündkerze 12 als sekundärer Kraftstoffstrahl 16b umgelenkt. Die kinetische Energie dieses sekundären Strahles 16b ist auch an der Zündelektrode noch hoch genug, um sicher entflammt zu werden.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit geschichteter Ladung besonders bei mittleren Lasten. Da der Beginn des Einspritzvorganges aufgrund des längeren Weges des Kraftstoffs deutlich früher als die Zündung erfolgen kann, wird die Einbringung und Aufbereitung größerer Kraftstoffmengen möglich. Im Brennraum 5, an dem die Mulde 73 bezüglich der Einspritzdüse 13 ideal für das verzögerungsfreie Umlenken eines Teils des Kraftstoffes 16b ausgerichtet ist, wird ein wesentlicher Anteil Kraftstoff schon im primären Strahl 16a zerstäubt, mit Luft vermischt und vom Kolbenboden mit verminderter Geschwindigkeit reflektiert. Die Zeit bis zur Zündung ist jedoch so bemessen, daß eine weiträumige und homogene Verteilung im Brennraum nicht stattfindet, also wiederum Ladungsschichtung vorliegt .
Die Entflammung der insgesamt größeren Kraftstoffmenge kann weiterhin zu einem thermodynamisch günstigen Zeitpunkt erfolgen, da lediglich der Spritzbeginn und nicht der Zündzeitpunkt früher verlegt werden mußte. Sichere Entflammung ist durch den energiereichen umgelenkten Teilstrahl 16b beim Durchqueren der Funkenstrecke weiterhin gewährleistet.
In den Fig. 3 und 4 ist ein drittes bevorzugtes Ausführungsbei- spiel der Erfindung dargestellt.
Es weist einen Kolbenboden 8 mit einer Doppelmulde 80 auf. Die Doppelmulde 80 ist in der Draufsicht (Fig. 4) etwa kreisförmig ausgebildet, mit einer schmalen, in der Draufsicht etwa pillen- förmigen Umlenkmulde 81 und einer, den restlichen Bereich der Doppelmulde 80 abdeckenden Abbrems-Reflektor-Mulde 82.
Die Umlenkmulde 81 ist im Querschnitt (Fig. 3) etwa V-förmig mit zwei seitlichen Flanken 81a, b und einem abgerundeten Boden 81c ausgebildet. Die Abbrems-Reflektor-Mulde 82 weist einen ebenflächigen, horizontalen Muldenboden 83 auf, der angrenzend zur Umlenkmulde 81 von einer zur Umlenkmulde 81 allmählich ansteigenden Begrenzungswandung 84 und einer zum Muldenboden 83 vertikal ausgerichteten Begrenzungswandung 85 im übrigen Randbereich der Abbrems-Reflektor-Mulde 82 begrenzt.
Die dom- bzw. kuppeiförmige Ausnehmung 9 im Zylinderkopf 4 ist im Vergleich zu den oben genannten Ausführungsbeispielen etwas höher ausgebildet, wobei im Zenit der Ausnehmung 9 die Bohrung 13 zur Aufnahme der Einspritzdüse 14 eingebracht ist. Die Bohrung 11 für die Zündkerze 12 ist etwas tiefer als in der vorhergehenden Ausführungsbeispielen, im Bereich einer seitlichen Wandung, eingebracht. Die Bohrung 13 der Einspritzdüse 14 bzw. die Einspritzdüse 14 ist gegenüber der vertikalen Achse 15 geneigt, so daß die auf dem Kolbenboden 8 senkrecht stehende Achse 15 und eine Längsmittelachse der Einspritzdüse 14 einen Winkel a einschließen, der im Bereich zwischen 0° bis 40°, vorzugsweise zwischen 10° und 30° liegt. Durch diese Neigung der Einspritzdüse sind die Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 im Bereich des Kegelmantels des kegelförmigen KraftstoffStrahles 16 angeordnet. Diese Neigung der Einspritzdüse 14 ist bei Zweitaktmotoren vorzugsweise so ausgerichtet, daß der Kraftstoffstrahl in Richcung Frischgasgemisch im Zylinder bzw. weg vom Auslaßkanal gerichtet ist.
Bei dieser Anordnung der Einspritzdüse 14 und der Zündkerze 12 ist die Umlenkmulde 81 unterhalb der Einspritzdüse 14 und die Abbrems-Reflektor-Mulde 82 unterhalb der Zündelektroden 21 angeordnet. Die zur Abbrems-Reflektor-Mulde 82 benachbart angeord¬ nete seitliche Flanke 81b der Umlenkmulde 81 zeigt mit einer geradlinigen, nach oben gerichteten Verlängerung auf die Zünde- lektroden 21 der Zündkerze 12.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung funktioniert wie folgt :
Ein primärer Kraftstoffstrahl 16a wird von der Einspritzdüse 14 kegelförmig in Richtung zur Doppelmulde 80 gespritzt.
Ein erster Teil des primären KraftstoffStrahles 16a zerstäubt auf dem Weg zu der Einspritzdüse 14 zu dem Kolbenboden 8 und vermischt sich unmittelbar mit der im Brennraum befindlichen Luft.
Der übrige Kraftstoff trifft unter einem steilen Winkel γ von z.B. 70° - 90° auf dem Kolbenboden 8 auf. Ein zweiter Teil des primären KraftstoffStrahles 16a wird von der scharfkantig begrenzten Abbrems-Reflektor-Mulde 82 reflektiert, so daß er eine fein zerstäubte Kraftstoffwolke 70 bildet. Diese Kraftstoffwölke 70 ist im wesentlichen über dem Bereich der Abbrems-Reflektor- Mulde 82 angeordnet. Ein dritter Teil des primären Kraftstoff- Strahles 16a wird ungebremst von der Umlenkmulde 81 in den Brennraum 5 reflektiert. Der reflektierte, sekundäre Kraftstoff- strahl 16b ist in Richtung zu den Zündeleketroden 21 gerichtet, wenn sich der Kolben 3 im Bereich des oberen Totpunktes befindet und reichert das Kraftstoff/Luft -Gemisch im Bereich der Zündelektroden 21 an.
Wird die Brennkraftmschine gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bei geringer Last betrieben, so wird eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt, während sich der Kolben 3 im oberen Totpunkt befindet. Der eingespritzte Kraftstoff kommt als primärer Kraftstoffstrahl 16a mit den Zündelektroden 21 in Kontakt bzw. durchquert die zwischen den Zündelektroden 21 ausgebildete Funkenstrecke. Hierdurch kann der Kraftstoff am Primärstrahl 16a ge¬ zündet werden, wobei durch die kurze zeitliche Distanz von Spritzbeginn und Zündung kleinste Kraftstoffmengen für geringe Lasten zu thermodynamisch günstigem Zeitpunkt verbrannt werden können, bevor die Kraftstoffwolke zu weiträumig verteilt ist.
Bei hohen Lasten wird hingegen eine im Bereich der Zündelektroden 21 ausgebildete Kraftstoffwolke 77 gezündet, die im wesentlichen mit Kraftstoff aus dem reflektierten, sekundären Kraftstoffstrahl 16b angereichert ist.
Bei hohen Lasten und großen Einspritzmengen steht somit ein großes Zeitintervall zwischen Einspritzbeginn und Zündung zur Verfügung. So kann in diesem Zeitintervall der Zündzeitpunkt nach rein thermodynamischen Gesichtspunkten gewählt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Doppelmulde 80 wird ohne Doppeleinspritzung der Kraftstoff im Brennraum und je nach Motorlast und Einspritzmenge bereichsweise unterschiedlich angereichert, wobei immer auch im Bereich der Zündelektrode 21 ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch eingestellt wird. Der Zündzeitpunkt kann sowohl bei kleinsten als auch bei mittleren Lasten, die vorzugsweise im Ladungsschichtungsverfahren erzeugt werden, alleine nach thermodynamischen Gesichtspunkten optimiert werden. Der Einspritzbeginn kann für die gewünschte Motorlast bzw. für die hierfür erforderliche Einspritzmenge optimiert werden, ohne daß auf eine sichere Entflammungsbedingung an der Zündelektrode 21 verzichtet werden muß, da hier zu allen in Frage kommenden Zeitpunkten eine Kraftstoffwolke mit fettem Gemisch und genügend kinetischer Energie der Tröpfchen vorliegt. Hierdurch und in Kombination mit dem nicht oder nur wenig gedrosselten Ansaugen der Frischluft werden ideale Brennzustände im Brennraum 5 erzielt, wodurch ein geringer Schadstoffausstoß bei hoher Last erzielt wird. Die erfindungsgemäße Brennkraftma¬ schine wird vorzugsweise als Zweitakt-Brennkraftmaschine betrie¬ ben.

Claims

ANSPRUCHE
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (2) , in dem ein Kolben (3) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder (2) durch einen Zylinderkopf (4) abgeschlossen ist und ein Brennraum (5) durch eine Innenfläche (6) des Zylinders (2) , eine Innenfläche (7) des Zylinderkopfes (4) und einen Kolbenboden (8) des Kolbens (3) begrenzt ist, wobei während eines Arbeitstaktes
- Frischluft wenig gedrosselt oder ungedrosselt angesaugt wird, so daß Abgas vom vorherigen Arbeitstakt vollständig aus dem Brennraum (5) ausgetrieben wird, und
- Kraftstoff direkt in den Brennraum (5) eingespritzt wird, so daß er am Kolbenboden reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h , die Verwendung einer Brennkraftmaschine, die einen Kolben
(3) aufweist, in dessen Kolbenboden (8) eine Mulde (17, 73,
80) eingebracht ist, wobei die Mulde (17, 73, 80) in dem
Bereich angeordnet ist, in dem der eingespritzte Kraftstoff auf dem Muldenboden (8) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kraftstoff unter einem steilen Winkel γ von z.B.
70° - 90° auf den Kolbenboden (8) auftrifft .
Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mulde (17) durch eine Begrenzungswand (19) scharfkantig begrenzt ist, so daß der eingespritzte Kraftstoff durch die Mulde (17) abgebremst reflektiert und zerstäubt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) angeordnet is .
6. Verfahren nach Anspruch 4 und/oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Zündkerze (12) mit ihren Zündelektroden (21) im Bereich eines eingespritzten, noch nicht reflektierten, primären KraftstoffStrahls (16a) angeordnet ist und ein im Brennraum (5) erzeugtes Kraftstoff/Luft-Gemisch am primären Kraftstoffstrahl (16a) gezündet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) und eine Zündkerze (12) angeordnet sind, und die Mulde (73) einen geneigten Muldenboden (74) aufweist, der in Richtung zur Zündkerze (12) abfällt und eine zur Zündkerze (12) zeigende Begrenzungswandung (75) aufweist, wobei der Übergang zwischen dem Muldenboden (74) und der Begrenzungswandung (75) als Rundung ausgebildet ist, so daß in die Mulde (73) eingespritzter Kraftstoff entlang dem Muldenboden (74) und der Begrenzungswandung (75) ungebremst zurück in den Brennraum (5) als sekundärer Kraftstoffstrahl (16) reflektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das im Brennraum (5) erzeugte Kraftstoff/Luft-Gemisch an dem sekundären Kraftstoffstrahl (16b) entzündet wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Einspritzen des Kraftstoffes eine nach dem Energiespeicherprinzip, insbesondere dem Festkörperenergie- Speicherprinzip, arbeitende Einspritzvorrichtung verwendet wird.
10. Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (3) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder (2) durch einen Zylinderkopf (4) abgeschlossen ist und einen Brennraum (5) durch eine Innenfläche (6) des Zylinders (2) , eine Innenfläche (7) des Zylinderkopfes (4) und einen Kolbenboden (8) des Kolbens (3) begrenzt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) angeordnet ist, die so ausgerichtet ist, daß Kraftstoff unter einem steilen Winkel auf den Kolbenboden (8) eingespritzt wird, und im Kolbenboden (8) eine Mulde (80) ausgebildet ist, die in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Kraftstoff auf den Kolbenboden (8) auftrifft, wobei die Mulde (80) einen Umlenkbereich und einen Abbrems-Reflektor-Bereich aufweist, wobei der Umlenkbereich so ausgebildet ist, daß in dem Umlenkbereich auftreffender Kraftstoff ohne wesentliche Abbremsung zurück in den Brennraum (5) reflektiert wird, und der Abbrems-Reflektor-Bereich zumindest bereichsweise scharfkantig begrenzt ist, so daß der in den Abbrems-Reflektor-Bereich auftreffende Kraftstoff abgebremst reflektiert und zerstäubt wird.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mulde (80) als Doppelmulde (80) ausgebildet ist, wobei der Umlenkbereich durch eine Umlenkmulde (81) und der Abbrems-Reflektor-Bereich durch eine Abbrems-Reflektor- Mulde (82) dargestellt wird.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Doppelmulde (80) in der Draufsicht etwa kreisförmig ausgebildet ist, wobei die Umlenkmulde (81) in der Drauf- sieht eine schmale, etwa pillenförmige Form aufweist und der restliche Bereich der Doppelmulde (80) von der Abbrems- Reflektor-Mulde (82) abgedeckt ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 und/oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umlenkmulde (81) im Querschnitt etwa V-förmig mit zwei seitlichen Flanken (81a, 81b) und einem abgerundeten Boden (81c) ausgebildet ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abbrems-Reflektor-Mulde (82) einen ebenflächigen, horizontalen Muldenboden (83) aufweist, der angrenzend zur Umlenkmulde (81) von einer zur Umlenkmulde (81) allmählich ansteigenden Begrenzungswandung (84) und einer zum Muldenboden (83) vertikal ausgerichteten Begrenzungswandung im übrigen Randbereich der Abbrems-Reflektor-Mulde (82) begrenzt ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zylinderkopf (4) eine dom- bzw. kuppeiförmige Ausnehmung (9) aufweist, in deren Zenit die Einspritzdüse (14) angeordnet ist .
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zündkerze (12) im Bereich der Ausnehmung (9) unterhalb der Einspritzdüse (14) angeordnet ist, so daß die Zündkerze. (12) mit ihren Zündelektroden (21) sowohl in einem nicht reflektierten, primären Kraftstoffstrahl (16a) als auch in einem von der Umlenkmulde (81) reflektierten Kraftstoffstrahl (16b) angeordnet ist.
17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 und/oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Längsmittelachse der Einspritzdüse (14) mit einer auf dem Kolbenboden (18) senkrecht stehenden Achse (15) einen Winkel (α) einschließt, der im Bereich zwischen 0° - 40°, vorzugsweise zwischen 10° und 30° liegt.
18. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h' g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einspritzdüse (14) so ausgebildet ist, daß der Kraftstoff in Form eines kegelförmigen KraftstoffStrahls (16) abgespritzt wird.
19. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umlenkmulde (81) mit einer seitlichen Flanke (81b) , die benachbart zur Abbrems-Reflektor-Mulde (82) angeordnet ist, mit einer geradlinigen, nach oben gerichteten Verlängerung in Richtung zu Zündelektroden (21) einer Zündkerze (12) zeigt.
20. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Einspritzen des Kraftstoffes eine nach dem Energiespeicherprinzip, insbesondere Festkörperenergie-Speicherprinzip, arbeitende Einspritzvorrichtung vorgesehen ist.
21. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Brennkraf maschine mit den Merkmalen eines oder mehreren der Ansprüche 10 bis 20 verwendet wird.
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