-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen. Funkenzündungs-Verbrennungsmotor, der
über eine Direkteinspritzung von flüssigem Kraftstoff in jeden Zylinder hinein verfügt.
-
WO 84/02744 beschreibt ein System in welchem eine Kraftstoffeinspritzung positioniert
ist um Kraftstoff direkt auf das Zentrum der Verbrennungskammer hin zu sprühen, und
in dem eine Zündkerze in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffeinspritzung im Weg des
Kraftstoff-Sprühnebels positioniert ist. In diesem System nach früherem Stand der
Technik wird Kraftstoff durch die selbe Einspritzung in zwei Stufen eingespritzt, wobei
ein erster Hauptteil des Kraftstoffs zu Beginn des Ansaughubes eingespritzt wird, um
zur Bildung einer im wesentlichen homogenen Vormischladung zerstäubt und
verdampft zu werden; und wobei eine zweiter; kleinerer Teil spät im Verdichtungshub
und gerade vor der Zündung eingespritzt wird, um zur Anreicherung der an die
Zündkerze angrenzende Mischung nahe der Spitze der Einspritzung zu verbleiben; und
somit einen starken Zündungskern zur Zündung der Vormischladung zu bilden, wenn
dieser Teil an Kraftstoff einmal durch den Funken gezündet und danach verbrannt wird.
-
Ein ernsthaftes Problem, auf das man in dem obigen System stößt, ist daß die
Zündkerze für eine Oberflächenverschmutzung anfällig ist, weil sie im Weg des
Hauptteils an Kraftstoff liegt, der während der ersten Einspritzung eingespritzt wird und
durch den länger andauernden Kraftstoffnebel unvermeidlich benetzt wird. Dies könnte
Kaltstartprobleme, eine instabile Zündung, und schließlich eine komplette Fehlzündung
verursachen.
-
Ein anderes bekanntes Problem, das eine Oberflächenverschmutzung der Zündkerze
verursachen - kann wenn die Zündkerzen-Elektroden im Weg des Kraftstoff-
Sprühnebels angeordnet sind, ist die geringe Menge an unzerstäubtem Kraftstoff, die
vor dem Kraftstoffnebel aus dem Einspritzkopf herauskommt, sobald das Einspritzventil
geöffnet wird. Dies ist eine Folge des Spitzenvolumens der Kraftstoffeinspritzung, das
etwas Kraftstoff im Strom unterhalb des Einspritzventils speichert, welcher zu Beginn
jeder Einspritzung herausgepreßt wird; dies wird als "Sackvolumen" bezeichnet. Ein
derartiges Paket flüssigen Kraftstoffes könnte, wenn es ihm erlaubt wird die
Zündkerzen-Elektroden zu treffen, die Elektroden benetzen bevor der Hauptteil des
Sprühnebels ankommt.
-
Mit Blick auf eine Milderung der vorstehenden Nachteile stellt die Erfindung gemäß
eines ersten Aspektes einen Funkenzündungs-Verbrennungsmotor bereit, der eine von
einem Zylinderkopf, einer Zylinderbohrung und einem sich in der Zylinderbohrung hin-
und herbewegenden Kolben begrenzte Verbrennungskammer variablen Volumens
besitzt, wobei der Zylinderkopf eine Zündkerze und durch Einlaß- und Auslaßventile in
die Verbrennungskammer führende Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist, und der
Motor außerdem eine Kraftstoffversorgung zur Erzeugung einer im wesentlichen
homogenen Vormischladung- aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer
gegen Ende des Verdichtungshubes aufweist; in dem Vorrichtungen bereitgestellt
werden um zur Zündung der vorgemischten Ladung einen kraftvollen Zündungskern zu
erzeugen, wobei die Vorrichtungen eine Kraftstoffeinspritzung zur Einspritzung
flüssigen Kraftstoffes direkt in die Verbrennungskammer hinein umfaßt, die
Kraftstoffeinspritzung in einem nicht bestrichenen Teil der Zylinderbohrung positioniert
und ausgerichtet ist, um Kraftstoff schräg gegen die Frontseite des Einlaßventils zu
sprühen wenn das Einlaßventil geschlossen ist; derart, daß der Kraftstoff von oder
entlang der Oberfläche des Einlaßventils in Richtung auf die Zündkerze abgelenkt wird;
und ein Motormanagement-System zur Erzeugung eines Funkens an den Zündkerzen-
Elektroden zu einem vorherbestimmten Zündzeitpunkt im Motorzyklus, und um die
Kraftstoffeinspritzung in einer vorherbestimmten Vorphasen-Beziehung mit der
Zündungseinstellung zu betätigen; um nur eine kleine Kraftstoffmenge in Richtung auf
die Zündkerzen-Elektroden zu lenken, die nur ausreicht um zum Zeitpunkt der
Zündung einen lokalisierten Bereich einer leicht zündbaren Mischung zu erzeugen, der
sein Zentrum in der unmittelbaren Nähe der Zünkerzen-Elektroden hat; wobei die
resultierende Zündung des lokalisierten, zündfähigen Bereiches durch den Zündfunken
und die Verbrennung hiervon den kraftvollen Zündungskern zur Zündung der
vorgemischten Ladung in der Verbrennungskammer erzeugt.
-
Im Einklang mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb
eines Funkenzündungs-Verbrennungsmotors bereitgestellt, der eine von einem
Zylinderkopf, einer Zylinderbohrung und einem sich in der Zylinderbohrung hin- und
herbewegenden Kolben begrenzte Verbrennungskammer variablen Volumens besitzt
wobei der Zylinderkopf eine Zündkerze und durch Einlaß- und Auslaßventile in die
Verbrennungskammer führende Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist, und der Motor
außerdem eine Kraftstoffversorgung zur Erzeugung einer im Wesentlichen homogenen
Vormischladung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer gegen Ende des
Verdichtungshubes aufweist; und eine Kraftstoffeinspritzung zur Einspritzung flüssigen
Kraftstoffes direkt in die Verbrennungskammer hinein, die in einem nicht bestrichenen
Teil der Zylinderbohrung positioniert und so ausgerichtet ist, um Kraftstoff schräg auf
die Frontseite des Einlaßventils hin zu sprühen wenn das Einlaßventil geschlossen ist;
derart, daß der Kraftstoff von oder entlang der Oberfläche des Einlaßventils in Richtung
auf die Zündkerze abgelenkt wird; in welchem Verfahren eine kleine Kraftstoffmenge
die nur ausreichend ist um zum Zeitpunkt der Zündung einen lokalisierten Bereich
leicht zündbarer Mischung in der unmittelbaren Nähe der Zündkerze zu erzeugen -
mittels dieser Einspritzung in einer vorherbestimmten Vorphasen-Beziehung mit der
Motorzündung eingespritzt wird; und wobei die resultierende Zündung und
Verbrennung des lokalisierten, zündbaren Bereiches einen kräftigen Zündungskern zur
Zündung der Vormischladung in der Verbrennungskammer erzeugt.
-
Die Erfindung mildert zumindest einige der oben diskutierten Probleme, indem es nur
zugelassen wird daß eine kleine Menge an Kraftstoff in Richtung auf die Zündkerze
gelenkt wird, die gerade ausreichend ist um einen zündfähigen Kern zu erzeugen,
wobei jeglicher zur Leistungserzeugung zusätzlich notwendiger Hauptteil an Kraftstoff
mittels alternativer Vorrichtungen eingebracht wird, die nicht auf die Zündkerze
gerichtet sind. Weiterhin wird selbst die kleine, in Richtung auf die Zündkerze
eingebrachte Menge an Kraftstoff indirekt geliefert, indem man es so einrichtet daß der
Kraftstoff-Sprühnebel derart auf die Oberfläche des Einlassventiles auftrifft, daß die
Sackvolumen-Menge und jedwege andere größere Kraftstofftröpfchen auf der
Oberfläche verteilt werden, was es nur feinen Tröpfchen und Kraftstoffdampf erlaubt
die Zündkerze zu erreichen.
-
Weil die aus der Kraftstoffeinspritzung ausgestoßenen Kraftstofftröpfchen sich
anfänglich schneller bewegen als die umgebende Luft, reißen sie die Luft mit und
erzeugen Mikroturbulenzen, wovon bekannt ist daß es die Verbrennung verbessert.
-
Vorzugsweise weist der Kraftstoff-Sprühnebel aus der Kraftstoffeinspritzung einen
kleinen konischen Winkel auf und wird derart in einem flachen Winkel auf die
Oberfläche des Einlaßventiles gerichtet, daß durch die Kraftstofftröpfchen in
unmittelbarer Nähe der Oberfläche und der Zündkerze ausreichend Luft mitgerissen
wird, um eine kompakte und turbulente Mischungswolke zu bilden, welche - einmal
gezündet - schnell verbrennt. Dies stellt sicher daß ein kraftvoller Zündungskern
erzeugt wird, der in der Lage ist selbst eine magere Vormischladung im Volumen der
Verbrennungskammer zu zünden. Typischerweise sollte der Kraftstoff-Sprühnebel
einen Konuswinkel von zwischen 20º und 30º aufweisen.
-
Während nur ein kleiner Teil des Kraftstoffes durch die Kraftstoffeinspritzung
eingebracht wird, um eine zündfähige Mischung in der Nähe der Zündkerzen-
Elektroden zu erzeugen, ohne die Zündkerzen-Elektroden zu benetzen, kann der
Hauptteil des zur Leistungserzeugung erforderlichen Kraftstoffes unter Verwendung
einer anderen Kraftstoffeinspritzung eingebracht werden. In diesem Falle kann die
andere Kraftstoffeinspritzung entweder in der Verbrennungskammer angeordnet sein,
wobei ihr Sprühnebel von der Zündkerze weg gerichtet ist; oder in einer zur
Verbrennungskammer führenden Ansaugöffnung, wobei die Einspritzung betrieben
wird um während oder vor dem Ansaughub Kraftstoff in die Luftladung hinein
einzuspritzen, um dem Kraftstoff ausreichend Zeit zu lassen um homogen mit der
Ansaug-Luftladung gemischt zu werden.
-
Als Alternative ist es möglich die gleiche Kraftstoffeinspritzung zu verwenden um auch
den Hauptteil des zur Leistungserzeugung erforderlichen Kraftstoffes ohne Benetzung
der Zündkerze einzubringen, indem man die Einspritzung geeignet in der
Verbrennungskammer positioniert und eine getrennte, frühere Einspritzung zeitlich so
einstellt, daß sie mit der Öffnung des Einlaßventiles zusammenfällt. In diesem Falle
wird der Kraftstoff-Sprühnebel dann, wenn er so gerichtet ist daß er den das
Einlaßventil umgebenden Luftvorhang erfaßt und/oder durch den Mund des
geöffnenten Einlaßventiles direkt in das Ende der Einlaßöffnung zurücktritt, von dem
Luftstrom von der Zündkerze weggetragen werden und ein Fluten der Elektroden der
Zündkerze vermeiden.
-
In Direkteinspritzungs-Motoren nach früherem Stand der Technik, die darauf zielen zur
Leistungserzeugung eine verteilte, geschichtete Ladung zur Verbrennung zu schaffen,
ist der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung der wesentliche Steuerparameter, welcher
gewählt werden muß um den besten Kompromiß zwischen Bereichen mit
Untermischung (übermäßig fett) und Bereichen mit Übermischung (übermäßig mager)
des Kraftstoff-Sprühnebels in Luft zu ergeben, um - im Durchschnitt für die gesamte
Ladung - eine stabile und saubere Verbrennung zu ergeben wenn sie einmal gezündet
ist. Der Zündzeitpunkt ist in diesem Falle dahingehend ein sekundärer
Steuerparameter, daß, während es immer einen Zündfunken geben wird der die
Ladung zünden wird, seine zeitliche Steuerung eng an die zeitliche Steuerung der
Kraftstoffeinspritzung gebunden ist und wenig Raum für Anpassungen besteht, wenn
der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung einmal festgelegt wurde. Die vorliegende
Erfindung zielt darauf eine lokalisierte, geschichtete Ladung nur für die Zündung zu
schaffen, um einen kraftvolleren Zündungskern zu schaffen; welcher wiederum eine
vollständige Verbrennung der vorgemischten Hauptladung sicherstellt. Weil die
Hauptladung im wesentlichen homogen, d. h. gründlich durchmischt ist, erlaubt dies
daß die Priorität umgekehrt wird, und ermöglicht es daß der Zündzeitpunkt nach
belieben eingestellt wird. Gleich wann das Motormanagement-System bestimmt daß
die Zündung erfolgen sollte wird dann - vorausgesetzt daß die direkt gezielte
Einspritzung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um eine in der Nähe der
Zündkerzen-Elektroden zentrierte, lokalisierte, zündfähige Wolke zu schaffen, die mit
dem Zeitpunkt der Zündung zusammenfällt - eine zuverlässige Zündung erzielt werden,
und daraus wird ein kraftvoller Zündungskern folgen. Dies bedeutet die
Kraftstoffeinspritzung stets eine kurze Zeit vor dem gewünschten Zündzeitpunkt
einzuleiten, was die Zeit berücksichtigt die es braucht bis Kraftstoff, auf die Betätigung
der Einspritzung folgend, die Nähe der Zündkerze erreicht. Die Betätigungsdauer der
Kraftstoffeinspritzung wird allgemein kurz sein, weil nur ein kurzer Kraftstoffstoß
benötigt wird um die Zündfähigkeit sicherzustellen und das Fluten der Zündkerzen-
Elektroden zu vermeiden.
-
Die kombinierten zeitlichen Steuerungen von Kraftstoffeinspritzung und Zündung der
vorliegenden Erfindung können im Wesentlichen als zeitlich gesteuerter
Plasmagenerator betrachtet werden, der nach belieben zu jedem Zeitpunkt im
Motorzyklus gezündet werden kann und die Hauptladung zu zünden, welche in sich
selbst mittels eines Funkens alleine möglicherweise nicht zündfähig ist.
-
In Schichtladungs-Motoren nach bisherigem Stand der Technik ist die
Zündungseinstellung auf ein schmales Fenster beschränkt um eine stabile Zündung zu
erzielen, zieht man in Betracht daß der Kraftstoff-Mischvorgang bereits durch die
zeitliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzung optimiert ist. Die resultierende
Zündungseinstellung ist - obgleich optimal für die beste Zündungsstabilität unter diesen
Umständen - jedoch nicht auch automatisch optimal für besten thermodynamischen
Wirkungsgrad noch für niedrigste Abgasemissionen. Weil eine stabile Zündung die
erste Priorität sein muß, müßten man betreffend der anderen Anforderungen
Kompromisse schließen. Die vorliegende Erfindung mindert die Abhängigkeit vom
Kraftstoff-Mischvorgang, welcher in einem direkt gezielten Kraftstoff-Sprühnebel nur
zur Zündung am wenigsten empfindlich ist, erweitert somit das Zündzeitpunkt-Fenster
für eine stabile Zündung bedeutend und läßt zu daß der Zündzeitpunkt zur Optimierung
verschiedener Kriterien nahezu beliebig angeordnet wird.
-
Im normalen Motorbetrieb wird die Zündungseinstellung allgemein für maximalen
thermodynamischen Wirkungsgrad optimiert sein. Mit Homogenladungs-Motoren ist
dies übliche Praxis durch Variation des Zündzeitpunktes. Die Erfindung erlaubt die
gleiche Flexibilität bei der Wahl des Zündzeitpunktes für maximalen
thermodynamischen Wirkungsgrad, indem die kombinierten zeitlichen Einstellungen
von Kraftstoffeinspritzung und Zündung variiert werden.
-
Abhängig von den Motor-Betriebsbedingungen kann anderen Kriterien eine höhere
Priorität zugewiesen werden als der Maximierung des thermodynamischen
Wirkungsgrades. Nach Kaltstarts ist es zum Beispiel wichtiger die Anspringzeit eines
Katalysators im Abgassystem zu minimieren, um gesetzliche Emissionsanforderungen
zu erfüllen. In diesem Fall erlaubt es die Erfindung den Zündzeitpunkt zu verzögern,
selbst wenn mit einer insgesamt mageren Mischung gearbeitet wird, um die
Abgastemperatur zu maximieren wenn man sich nach einem Kaltstart im Leerlauf
befindet.
-
In einer ähnliche Art wurde vorgeschlagen die Abgasemission zu vermindern wenn
man bei hohen Lasten mit einer sehr mageren Mischung arbeitet, indem man
kontrollierte Selbstzündung in einer homogenen Ladung induziert. Dies wurde zuvor
durch Steigerung von Ladungstemperatur und -druck unter Verwendung einer
Vorheizung und/oder hoher Verdichtungsverhältnisse erreicht. Die Erfindung kann,
wenn gewünscht, verwendet werden um ein Vorverlegen des Zündzeitpunktes in
einem solchen Ausmaß zuzulassen, um eine Selbstzündung in der verbleibenden,
mageren Ladung zu verursachen.
-
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
-
Abb. 1 ein Schnitt durch einen Zylinder eines Motors der Erfindung ist,
aufgenommen während des Ansaughubes entlang der gestrichelten Schnittlinie I-I in
Abb. 2;
-
Abb. 2 eine Ansicht der Verbrennungskammer in Abb. 1 ist, wenn man vom
Kolben auf den Zylinderkopf blickt;
-
Abb. 3 ein ähnlicher Schnitt wie der von Abb. 1 ist, der den Kolben nahe
dem oberen Ende des Verdichtungshubes zeigt;
-
Abb. 4 eine Ansicht der Verbrennungskammer in Abb. 3 ist, wenn man vom
Kolben auf den Zylinderkopf blickt.
-
Der Motor in den Zeichnungen besitzt eine Verbrennungskammer 10 variablen
Volumens, abgegrenzt zwischen einem sich in einer Bohrung 14 hin- und
herbewegenden Kolben 16 und einem Einlaßöffnungen 20 und Auslaßöffnungen 30
enthaltenden Zylinderkopf 12. Die Einlaßöffnungen 20 werden von zwei Schäfte 24 und
Köpfe 26 aufweisenden Einlaß-Tellerventilen gesteuert, und die Auslaßöffnungen 30
werden von zwei Schäfte 34 und Köpfe 36 aufweisenden Auslaß-Tellerventilen
gesteuert. Eine Zündkerze 42, die eine Funkenstrecke 42 aufweist, ist zentral in
Zylinderkopf 12 angeordnet.
-
Der Motor wird von einem Management-System gesteuert, das eine sogenannte EEC-
Einheit 60 (Electronic Engine Control; elektronische Motorsteuerung) umfaßt. Die EEC-
Einheit 60 ist angeschlossen um Signale von verschiedenen Sensoren zu empfangen,
welche die relevanten Betriebsparameter wie etwa Motordrehzahl, Last, Temperatur
und Kurbelwellenstellung messen, und steuert gemäß gespeicherter Algorithmen und
Kalibrierdaten angemessen den Zündzeitpunkt, die Kraftstoffmenge und die zeitliche
Steuerung der Kraftstoffeinspritzung.
-
Eine herkömmliche Konstruktion würde eine Hochdruck-Kraftstoffdirekteinspritzung im
Zylinderkopf plazieren, die nach unten hin von den Zündkerzen-Elektroden fort und auf
den Kolben 16 hin weist. Es ist eine derartige Geometrie, die für die Benetzung der
Kolbenkrone verantwortlich ist, welche wiederum Ruß- und Kohlenwasserstoff-
Emissionen verursacht. In der beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine von der EEC-Einheit 60 gesteuerte
Kraftstoffeinspritzung 50 in der Zylinderbohrung 14 am Umfang der
Verbrennungskammer angeordnet. In dieser Stellung liegt die Einspritzung 50 oberhalb
des oberen Kolbenringes in seiner oberen Totpunkt-Stellung, das bedeutet oberhalb
des bestrichenen Volumens des Zylinders und in einer dauerhaft freien Position.
-
Die Ausrichtung der Einspritzung 50 und die Konstruktion ihrer Düse ist derart, daß der
Kraftstoff-Sprühnebel der Einspritzung relativ schmal und auf die Zündkerze 40
gerichtet ist. Während dies erreicht werden kann, indem man den Kraftstoff-Sprühnebel
direkt auf die Funkenstrecke 42 richtet, ist es bevorzugt die Einspritzung 50 in der in
Abb. 3 der Zeichnungen veranschaulichten Art und Weise derart zu richten, daß
der Kraftstoff-Sprühnebel auf die Oberfläche des Einlaßventiles 26 auftrifft und von
dieser Oberfläche in Richtung auf die Funkenstrecke 42 abgelenkt wird. Dies
vermindert das Risiko die Zündkerzen-Elektroden zu benutzen, indem es nur feinen
Tröpfchen und Kraftstoffdampf erlaubt wird die Funkenstrecke 42 zu erreichen.
-
Mit der gleichen Ausrichtung der Einspritzung 50 ist - wenn das Einlaßventil 26
geöffnet ist - die Einspritzung 50 außerdem durch den Mund des geöffneten
Einlaßventiles 26 direkt in das Ende von Ansaugöffnung 20 hinein gerichtet, um den
mit hoher Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung strömenden Luftvorhang
zu erfassen, wie er durch die Pfeile 28 in Abb. 1 veranschaulicht ist. Wenn
während des Ansaughubes Kraftstoff eingespritzt wird, versucht der Sprühnebel daher
wie in Abb. 1 gezeigt durch das geöffnete Einlaßventil 26 hindurch in das Ende
der Einlaßöffnung 20 einzutreten. Die Masse des Sprühnebels landet jedoch weder auf
der Rückseite des Einlaßventils 26 noch an der Wand der Einlaßöffnung 20, weil die in
entgegengesetzter Richtung mit hoher Geschwindigkeit in den Zylinder gesaugte Luft
28 den feinen Sprühnebel mit sich in die Verbrennungskammer 10 hinein tragen wird.
Das Ausmaß des Auftreffens von Kraftstofftröpfchen auf die hintere Oberfläche des
Ventils 26 und die Wand der Einlaßöffnung 20 wird wegen der kleinen, dem
Sprühnebel direkt ausgesetzten Wandfläche und der feinen Zerstäubung des
Sprühnebels durch die Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung minimal sein.
-
Die Kraftstoffeinspritzung 50 wird typischerweise bei einem Druck von 50 kg/cm²
betrieben, was in ruhiger Luft in feinen Tröpfchen von 20 bis 40 Mikron Durchmesser
mit etwa 40, m/s resultiert. Der den Kraftstoff-Sprühnebel in entgegengesetzter
Richtung treffende Luftvorhang 28 bewegt sich typischerweise mit einer vergleichbaren
Geschwindigkeit, was eine relative Geschwindigkeit um 80 m/s ergibt wenn die
Kraftstofftröpfchen auf die Lufttreffen. Wegen der feinen Zerstäubung des Sprühnebels
und der hohen relativen Geschwindigkeit der Luft ist der Luftwiderstand auf die
Tröpfchen sehr hoch und die Verdampfungsgeschwindigkeit der Tröpfchen äußerst
groß; und die kombinierten Effekte bewirken daß die Tröpfchen der Luft genau folgen
und ihre Größe schnell verringern. Aus diesem Grund wechseln die Tröpfchen schnell
ihre Richtungen und werden in die Verbrennungskammer 10 zurück gerissen.
Derartige Tröpfchen, denen es aufgrund ihrer höheren Größe und Geschwindigkeit
gelingt in die Einlaßöffnung 20 einzutreten, werden abgebremst, verdampft und in der
Größe dramatisch vermindert sein, und nur ein minimaler Teil wird die
gegenüberliegende Wand von Einlaßöffnung 20 erreichen. Die meisten Tröpfchen
werden über den Durchflußquerschnitt der Einlaßöffnung 20 hinweg in der Luft bleiben
- und werden durch den Luftdurchfluß lateral mitgerissen, und treten mit jenem den
Saum des Einlaßventils 26 umgebenden Luftvorhang 28, 28a, 28b aus.
-
Jegliches Auftreffen des Kraftstoff-Sprühnebels auf der Rückseite des Einlaßventiles
26 und der Seite von Ventilschaft 24 kann durch Konstruktion der
Kraftstoffeinsptzungs-Düse mit engem Sprühwinkel und Ausrichten des Kraftstoff-
Sprühnebels in einer zu Ventilschaft 24 versetzten Position vermieden werden; derart,
daß er wie in den Abb. 1 und 2 gezeigt direkt über den Durchflußquerschnitt
der Einlaßöffnung 20 übertritt, ohne das Einlaßventil 26 zu benetzen.
-
Eine Benetzung des Einlaßventils ist aus mehreren Gründen nicht wünschenswert.
Erstens ist die Verdampfungsgeschwindigkeit des flüssigen Kraftstoffilms wegen der
viel kleineren Oberfläche bedeutend langsamer als die von sehr kleinen
Kraftstofftröpfchen. Zweitens könnte jeglicher sich am Einlaßventil ansammelnde,
flüssige Kraftstoffilm während des Kaltstarts und bei Übergangs-Betriebsbedingungen
Verzögerungsprobleme der Kraftstoffkalibrierung verursachen. Drittens wird die
Verdampfungswärme des Kraftstoffilms vom Einlaßventil abgezogen und nicht von der
Ansaugluft wie im Falle von verteilten, feinen Tröpfchen, was - verglichen mit
Verdampfung in Luft - in einer geringeren Kühlung der Ansaug-Luftladung und
geringeren damit verbundenen Verbesserungen im volumetrischen Wirkungsgrad und
der Klopftoleranz resultiert. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt sicher
daß im wesentlichen der gesamte Kraftstoff, der zurück in die Einlaßöffnung 20
gespritzt wird während das Einlaßventil 26 geöffnet ist, innerhalb der Luft verteilt wird
und - homogen über die Ansaugladung verteilt - im selben Motorzyklus in die
Verbrennungskammer 10 geliefert wird.
-
Wie soweit beschrieben stellt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine
Verbesserung gegenüber herkömmlichen Direkteinspritzungs-Motoren bereit, in
welchen die Einspritzung auf den Kolben hin gerichtet ist, da sie eine Benetzung des
Kolbens vermeidet. Sie ermöglicht es dem Motor jedoch noch nicht für ultramagere
Verbrennung optimiert zu werden, weil die Ladung homogen ist und möglicherweise
nicht zündfähig ist. Um eine magere Verbrennung zu optimieren muß man die Ladung
so schichten daß nahe des Funkens eine zündfähige Wolke vorliegt, selbst wenn das
Volumen der Ladung keine ausreichende Kraftstoffkonzentration aufweist um selbst
zündfähig zu sein.
-
In der Erfindung wird eine derartige Ladungsschichtung in einem Motor mit der
veranschaulichten Einspritzungs-Geometrie wenn benötigt erreicht, indem ein Teil der
gewünschten Gesamt-Kraftstoffmenge getrennt in die Verbrennungskammer
eingebracht wird, während das Einlaßventil nahe dem Ende des Verdichtungshubes
wie in Abb. 3 und 4 gezeigt geschlossen ist. Diese Einspritzung wird von der
EEC-Einheit 60 zeitlich gesteuert, die außerdem den Zündzeitpunkt in derartiger Art
und Weise einstellt, daß in dem Augenblick, in dem ein Funke ausgelöst wird, eine
zündfähige Wolke in der Nähe der Funkenstrecke 42 vorliegen wird. Die
Kraftstoffeinspritzung geschieht eine kurze Zeit vor dem Funken, um die Zeit zu
berücksichtigen die der Kraftstoff braucht um nach Betätigung der Einspritzung die
Nähe der Zündkerze zu erreichen. Dieser getrennt eingespritzte Teil des Kraftstoffes,
welcher nur eine sehr geringe Menge sein muß, wird entweder über den Kopf des
Einlaßventils 26 passieren oder von der Frontseite des Einlaßventils 26 abgelenkt
werden, und eine fette Wolke nahe der Funkenstrecke 42 schaffen; wie es in zeitlich
gesteuerter Folge entsprechend in Abb. 3 und 4 gezeigt ist. Selbst wenn der
Rest der Ladung zu mager ist um zündfähig zu sein wird diese Wolke zündfähig sein;
und ist sie einmal gezündet wird ein kraftvoller Zündungskern geschaffen werden, von
welchem sich die Flamme ausbreiten wird um die gesamte Ladung zu verbrauchen.
-
Die Dauer der Kraftstoffeinspritzung der Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung während des
Ansaughubes liegt abhängig von der Motorlast typischerweise im Bereich von 0,4 bis
4,0 ms. Bei Motordrehzahl 4000 U/min entspricht dies einem Maximum von 100
Kurbelgrad aus einer Öffnungsdauer des Einlaßventils von typischerweise 240
Kurbelgrad; was es völlig plausibel macht die Dauer der frühen Einspritzung des
Kraftstoff-Hauptteils zeitlich so zu steuern, daß sie mit der Dauer des maximalen
Ventilhubes und der maximalen Ansaugluft-Geschwindigkeit zusammenfällt. Die Dauer
der späten Einspritzung des kleinen Kraftstoffteils gegen Ende des Verdichtungshubes
sollte andererseits so kurz wie möglich sein, um eine Benetzung der Zündkerzen-
Elektroden zu vermeiden. Dies liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,3 ms,
was die kürzeste nutzbare und wiederholbare Dauer innerhalb der
Konstruktionsgrenzen der gegenwärtigen Hochdruck-Kraftstoffeinspritzungen ist.
-
Unter Leerlaufbedingungen könnte die späte Einspritzung nahe dem Ende des
Verdichtungshubes den gesamten benötigten Kraftstoff liefern. Unter
Teillastbedingungen kann eine Kombination aus frühen und späten Einspritzungen
verwendet werden, um eine insgesamt magere Mischung mit einer fetten Wolke nahe
der Zündkerze zu erzielen. Unter Bedingungen hoher Last kann man auf die späte
Einspritzung verzichten und sich auf eine stöchiometrische, homogene Ladung
verlassen, die allein durch frühe Einspritzung erreicht wird.
-
Anders gesagt kann der Motor zu jeder Zeit normal mit einer homogenen,
stöchiometrischen Mischung und einer herkömmlich zeitlich gesteuerten Zündung
betrieben werden. Für Kraftstoffersparnis während Leerlauf- und Teillastbedingungen
kann die Mischungsstärke vermindert werden, und dies kann bis zu einer gewissen
Magerverbrennungs-Grenze mit herkömmlicher Zündungs- und Kraftstoffzufuhr-
Strategie toleriert werden. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erlaubt es
daß die Magerverbrennungs-Grenze über diesen Punkt hinaus ausgedehnt wird, indem
wann immer es notwendig ist auf einen anderen Modus geschaltet wird, in welchem ein
kraftvoller Zündungskern geschaffen wird; indem mittels einer zeitlich gesteuerten
Einspritzung kurz vor der normalen Zündung ein kurzer Kraftstoffstoß auf die
Zündkerze gerichtet wird.
-
Es ist wichtig zu bemerken daß die Einspritzung in ausreichender Entfernung von der
Zündkerze positioniert sein sollte, damit der obige, kurze Kraftstoffstoß verdampft
bevor er die Nähe der Funkenstrecke erreicht. Typischerweise sollte die Entfernung
der Einspritzung von der Zündkerze einer Transitzeit der Kraftstofftröpfchen von
mehreren Millisekunden entsprechen. Dies schließt aus daß die Einspritzung direkt an
die Zündkerze angrenzend montiert wird, und die Konstruktion der
Verbrennungskammer diktiert daß die Einspritzung an oder nahe des Umfangs der
Zylinderbohrung positioniert werden sollte.
-
Man sollte außerdem bemerken daß das Volumen der Zylinderladung - selbst wenn
man an der Grenze dieser Magerverbrennungs-Kapazität arbeitet - homogen gemischt
ist und die einzige auftretende Ladungsschichtung das Ergebnis der kleinen,
zündfähigen Wolke nahe der Funkenstrecke ist, die einen kraftvollen Zündungskern
bildet. Somit schreitet die Flamme, hat die Zündung einmal begonnen, von dem Kern
und über eine homogen gemischte Hauptladung hinweg fort; was eine
Magerverbrennungs-Abgascharakteristik erzeugt; welche Extrapolationen der
typischen Kurven entsprechen, die mit Homogenladungs-Magerverbrennung erhalten
werden, in welcher die NOx-Emissionen fortfahren sich zu vermindern, wenn die
homogene Mischungsstärke vermindert wird.
-
Dies muß mit Direkteinspritzungs-Motoren gegenübergestellt werden, in welchen die
gesamte Ladung progressiv geschichtet ist. Derartige Motoren weisen typischerweise
übermäßig fette Verbrennungsbereiche auf, die in der Bildung von Ruß und einem
hohen Pegel an NOx resultieren; und übermäßig magere Verbrennungsbereiche, die
wegen unvollständiger Verbrennung in einem hohen Pegel an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen resultieren. Die Verbesserung in den Abgasemissionen der
vorliegenden Erfindung verglichen mit Motoren, in welchen die gesamte Ladung
progressiv geschichtet ist, würde die Bürde auf das Abgas-Nachbehandlungssystem
-das zur Erfüllung der gesetzlichen Emissionsstandards notwendig ist - bedeutend
vermindern, während ähnliche Vorteile der Kraftstoffersparnis beibehalten werden.
-
Weil das Volumen der Ladung homogen ist können alle bekannte Techniken zur
Verbesserung der Verbrennung, wie etwa Erhöhung der Verwirbelung, des Taumelns
oder der Turbulenz, in einem Motor der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
-
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf einen Motor mit zwei Einlaß- und zwei
Auslaßventilen pro Zylinder beschrieben wurde ist dies kein wesentliches Merkmal
dieser Erfindung, und sie kann mit anderen Ventilkonfigurationen angewendet werden.