Fremdgezündete Brennkraftmaschine Spark ignition internal combustion engine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.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 5.
Um bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung sowohl hohe Drehmomente und Leistungswerte als auch einen geringen Verbrauch im Teillastbereich zu erreichen, wird innerhalb eines Motorkennfelds ein Mixbetrieb in der Art realisiert, dass im oberen Drehzahl- und Lastbereich ein homogenes stö- chiometrisches Gemisch (Luftverhältnis λ « 1) und im mittleren und unteren Drehzahl- und Lastbereich ein Schichtladebetrieb mit einer weitgehend ungedrosselten Luftzufuhr (λ > 1) und einer verbrauchsgünstigen Ladungsschichtung vorliegt .In order to achieve both high torques and power values as well as low consumption in the partial load range in gasoline engines with direct injection, mixed operation is implemented within an engine map in such a way that in the upper speed and load range a homogeneous stoichiometric mixture (air ratio λ «1) and in the middle and lower speed and load range there is stratified charge operation with a largely unrestricted air supply (λ> 1) and a fuel-efficient charge stratification.
In der Praxis werden Fahrzeugmotoren im wesentlichen im Teillastbereich betrieben. Deshalb sollte grundsätzlich in einem Kennfeldbereich, in dem der Motor hauptsächlich betrieben wird, eine möglichst verbrauchsgünstige Ladungsschichtung vorgenommen werden. Es bestehen jedoch technische Gründe, die den Betrieb mit Schichtladung der Brennkraftmaschine im Kennfeld begrenzen. So ergibt sich beispielsweise ab einem mittleren indizierten Druck von ca. 4 bar eine zunehmende Emission an Rußpartikeln, da für die größeren Kraftstoffmassen dann die Zeit für eine vollständige Verdampfung nicht mehr ausreicht .
Beim Schichtladebetrieb kann es bei einer nicht optimierten Gemischbildung durch Toleranzabweichungen und zyklische Schwankungen zu Zündaussetzern kommen, die aus vielen Gründen als sehr problematisch bezüglich der Abgasemissionen, des Verbrauchs und des Fahrkomforts insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einzustufen sind.In practice, vehicle engines are operated essentially in the partial load range. For this reason, charge stratification should be carried out as economically as possible in a map area in which the engine is mainly operated. However, there are technical reasons that limit the stratified operation of the internal combustion engine in the map. For example, there is an increasing emission of soot particles from an average indicated pressure of approx. 4 bar, since the time for complete evaporation is no longer sufficient for the larger fuel masses. In stratified charge operation, non-optimized mixture formation due to tolerance deviations and cyclical fluctuations can lead to misfires, which for many reasons can be classified as very problematic with regard to exhaust gas emissions, consumption and driving comfort, especially at low engine speeds.
Es ist ein Konzept eines aufgeladenen Otto-Motors mit Direkteinspritzung bekannt (Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren/3. Stuttgarter Symposium: 23.-25. Februar 1999, Hrsg. von Michael Bargende und Jochen Wiedemann -Renningen- Malmsheim, Expertverlag 1999; Vortrag: Konzept eines aufgeladenen DI-Ottomotors, U. Mayerhofer, G. Fraidl , W. Piock und M. Wirth, AVL List GmbH, Graz; Seite 171-182) , das zu einer Reduzierung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauches führen soll . Bei diesem Konzept wird der Motor bei niedrigen und mittleren Lasten im Schichtladebetrieb betrieben. Um den Motor bei niedrigen Lasten mit Schichtla- dung zu betreiben, wird eine Brennraumgestaltung vorgenom-' men, die sich für den Homogenbetrieb nicht besonders gut eignet, und zu einigen Nachteilen bei höheren Lasten führt. Der Schichtladebetrieb führt somit zu theoretischen Verbrauchsvorteilen, welche infolge von Zündinstabilitäten und Rußproblematik nur in einem kleinen Bereich des Kennfeldes realisierbar sind.A concept of a turbocharged Otto engine with direct injection is known (automotive and internal combustion engines / 3rd Stuttgart Symposium: February 23-25, 1999, edited by Michael Bargend and Jochen Wiedemann -Renningen- Malmsheim, Expertverlag 1999; lecture: Concept one turbocharged DI Ottomotors, U. Mayerhofer, G. Fraidl, W. Piock and M. Wirth, AVL List GmbH, Graz; pages 171-182), which should lead to a reduction in exhaust gas emissions and fuel consumption. With this concept, the engine is operated at low and medium loads in stratified charge mode. In order to operate the engine with stratified charge at low loads, a combustion chamber design is undertaken which is not particularly suitable for homogeneous operation and which leads to some disadvantages at higher loads. Stratified charging therefore leads to theoretical consumption advantages which can only be achieved in a small area of the map due to ignition instabilities and soot problems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine' fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung derart zu gestalten, dass in einem möglichst großen Drehzahl- und Lastbereich eine verbrauchsniedrige und abgasemissionsarme Verbrennung erfolgt .The invention has for its object to design a 'spark ignition internal combustion engine with direct injection such that a fuel-low and low exhaust emission combustion takes place at the greatest possible speed and load range.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst .
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Zylinderkopf, einem Kolben, einem von einer Innenseite des Zylinderkopfes und dem Kolben begrenzten Brennraum, einem Einlassventil, einem Auslassventil, einer Zündvorrichtung, und einer Auf- ladevorrichtung vorgeschlagen, bei dem mittels der Aufladevorrichtung Luft komprimiert und über mindestens ein Einlassventil dem Brennraum zugeführt wird, wobei durch einen Injektor Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt wird, und bei niedriger und/oder mittlerer Last in einem Homogen-Betrieb der Brennkraftmaschine ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhält•■- nis (λ) größer als 1,1 gebildet wird, und bei hoher Last im Homogen-Betrieb der Brennkraftmaschine ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhältnis (λ) kleiner oder gleich 1 gebildet wird.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and an internal combustion engine with the features of claim 5. A method for operating a spark-ignited internal combustion engine with a cylinder, a cylinder head, a piston, a combustion chamber delimited by an inside of the cylinder head and the piston, an intake valve, an exhaust valve, an ignition device, and a supercharging device is proposed air is compressed in the charging device and fed to the combustion chamber via at least one inlet valve, fuel being injected directly into the combustion chamber by an injector, and an ignitable fuel / air mixture in the combustion chamber at low and / or medium load in homogeneous operation of the internal combustion engine with an air ratio • ■ - nis (λ) greater than 1.1, and an ignitable fuel / air mixture with an air ratio (λ) less than or equal to 1 is formed in the combustion chamber at high load in homogeneous operation of the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird im unteren und mittleren Lastbereich zumindest zeitweise im Homogen-Betrieb der Brennkraftmaschine das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum mit einem Luftverhältnis λ größer als 1 gebildet. Durch die Kombination der Direkteinspritzung μnd der Aufladung erfolgt eine Verschiebung des Lastkollektivs zu höheren Lasten, womit durch den Magerbetrieb im unteren und mittleren Lastbereich in Verbindung mit einem stδchiometrischen und/oder fetten Betrieb bei höheren Lasten größeres Verbrauchspotential erschlossen werden kann, wobei gleichzeitig der Brennkraftmaschinenraum reduziert und der Wirkungsgrad erhöht wird.According to the invention, the fuel / air mixture is formed in the combustion chamber with an air ratio λ greater than 1 in the lower and middle load range at least temporarily in homogeneous operation of the internal combustion engine. The combination of direct injection and charging causes the load spectrum to be shifted to higher loads, which means that lean operation in the lower and middle load range in conjunction with stoichiometric and / or rich operation at higher loads can open up greater consumption potential, while at the same time reducing the internal combustion engine space and the efficiency is increased.
In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes im Ansaughub und/oder in einem Anfangsteil des Kompressionshubs der Brennkraftmaschine. Durch die frühe Einspritzung wird ein homogenes Gemisch gebildet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes getaktet. Dadurch kann die Kraftstoffmenge in Teilmengen eingebracht, und somit eine Wandbenetzung mit Kraftstoff verhindert bzw. eine günstigere KraftStoffVerteilung erzielt werden.In one embodiment of the invention, the fuel is injected in the intake stroke and / or in an initial part of the compression stroke of the internal combustion engine. A homogeneous mixture is formed by the early injection. In a further embodiment of the invention, the fuel is injected in a clocked manner. In this way, the fuel quantity can be introduced in partial quantities, thus preventing wetting of the wall with fuel or achieving a more favorable fuel distribution.
Um eine optimale Homogenisierung zu erzielen, erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes bei einer zentralen Anordnung des Kraftstoffinjektors im Brennraum derart, dass ein KraftstoffStrahlkegel mit einem Winkel von etwa 90°gebildet wird, wobei eine Anpassung von ± 20° in Abhängigkeit von der Brennraumgestaltung vorgenommen werden kann. Bei einer seitlichen Anordnung des Kraftstoffinjektors im Brennraum erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs derart, dass ein KraftstoffStrahlkegel mit einem Winkel von etwa 70°gebildet wird, wobei ebenfalls eine Anpassung von ± 20° in Abhängigkeit von der Brennraumgestaltung vorgenommen werden kann.In order to achieve optimal homogenization, the fuel is injected with a central arrangement of the fuel injector in the combustion chamber in such a way that a fuel jet cone is formed at an angle of approximately 90 °, with an adjustment of ± 20 ° depending on the design of the combustion chamber , If the fuel injector is arranged laterally in the combustion chamber, the fuel is injected in such a way that a fuel jet cone is formed at an angle of approximately 70 °, it also being possible to make an adjustment of ± 20 ° depending on the design of the combustion chamber.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Brennkraftmaschine vorgesehen, welche einen Zylinder, einen Zylinderkopf, einen Kolben, einen von einer Innenseite des Zylinderköpfes und dem Kolben begrenzten Brennraum, ein Einlassventil, ein Auslassventil und eine Zündvorrichtung aufweist, wobei der Kraftstoff in den Brennraum durch einen Injektor direkt in den Brennraum einspritzt wird. Ein Lader ist zur Komprimierung der Verbrennungsluft vorgesehen. Der Injektor ist etwa im zentralen Bereich des Zylinderkopfs angeordnet, wobei der kleinste Abstand zwischen einer Injektorauslassöffnung und einer Zylinderachse kleiner als 10 mm und der eingeschlossene Winkel zwischen der Injektorachse und einer Zylinderachse kleiner 20° sind. Weiterhin weist der Kolben eine Mulde auf, deren Tiefe vorzugsweise maximal 5 mm beträgt .
Die erfindungsgemäße Anordnung des Injektors im Brennraum ermöglicht eine vorteilhafte Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, so dass schnell ein homogenes Gemisch aufbereitet wird.According to the invention, an internal combustion engine is also provided which has a cylinder, a cylinder head, a piston, a combustion chamber delimited by an inside of the cylinder head and the piston, an inlet valve, an exhaust valve and an ignition device, the fuel being injected directly into the combustion chamber by an injector the combustion chamber is injected. A charger is provided to compress the combustion air. The injector is arranged approximately in the central region of the cylinder head, the smallest distance between an injector outlet opening and a cylinder axis being less than 10 mm and the included angle between the injector axis and a cylinder axis being less than 20 °. Furthermore, the piston has a trough, the depth of which is preferably a maximum of 5 mm. The arrangement of the injector in the combustion chamber according to the invention enables an advantageous injection of the fuel into the combustion chamber, so that a homogeneous mixture is quickly prepared.
Die Vorteile der Entwicklung eines aufgeladenen Ottomotors mit direkter Einspritzung sind, die Fahrleistungen insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zu steigern, und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Durch die Aufladung der Brennkraftmaschine wird eine spürbare Leistungssteigerung erzielt, wobei der Hubraum für eine bestimmte Fahrleistung dementsprechend reduziert werden kann (Downsizing) . Dabei wird die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft derart verdichtet, dass pro Arbeitspiel einen größere Masse in den Brennraum gelangt. Somit wird der mittlere spezifische Druck im Zylinder angehoben und die Leistung gesteigert. Das führt zu einer Verbrauchsreduzierung, da sich das Lastkollektiv zu höheren Mitteldrücken verschiebt .The advantages of developing a turbocharged gasoline engine with direct injection are that it improves driving performance, especially at low engine speeds, and at the same time reduces fuel consumption. Charging the internal combustion engine results in a noticeable increase in performance, whereby the displacement for a certain mileage can be reduced accordingly (downsizing). The air required for the combustion process is compressed in such a way that a larger mass gets into the combustion chamber per work cycle. This increases the mean specific pressure in the cylinder and increases performance. This leads to a reduction in consumption because the load spectrum shifts to higher mean pressures.
Um ein homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch zu erreichen, wird Kraftstoff bereits sehr früh, und zwar noch während des Ansaughubs direkt in den Brennraum der Hubkolbenbrennkraftma- schine eingespritzt. Alternativ kann sich die Kraftstoffeinspritzung bis zum Anfangsteil des Kompressionshubes erstrecken. Dadurch wird die angesaugte Luftmenge sehr schnell mit dem Kraftstoff vermischt .In order to achieve a homogeneous fuel / air mixture, fuel is injected very early into the combustion chamber of the reciprocating piston engine, even during the intake stroke. Alternatively, the fuel injection can extend to the initial part of the compression stroke. As a result, the amount of air sucked in is very quickly mixed with the fuel.
In einer Ausgestaltung der Erfindung fördert ein Lader die verdichtete Verbrennungsluft in ein Ansaugrohr einer Vier- Takt-Brennkraftmaschine und weiter durch den Einlasskanal in den Brennraum. Im Ansaugrohr ist eine Regeleinrichtung angeordnet, welche die geförderte aufgeladene Luft in Abhängigkeit von Betriebsparametern regelt .
Im Ansaugrohr sind vorzugsweise Einbauten zur Erzeugung eines Dralls wie z.B. Drallsteuerventile oder Steuerklappen bzw. geeignete Drosselorgane angeordnet. Beim Einsatz von zwei Einlasskanälen kann ein Drall ferner durch eine Kanal- abschaltung erzeugt werden. Dadurch kann die Homogenisierung und die Ladungsbewegung des Gemisches im Brennraum verstärkt werden. Alternativ zur Turbulenzerhöhung oder Drallerzeugung kann durch eine geeignete Vorrichtung im Ansaugrohr ein variabler Tumble, d.h. eine walzenförmige Ladungsbewegung im Brennraum, z . B . durch eine Tumbleklappe erzielt werden.In one embodiment of the invention, a supercharger conveys the compressed combustion air into an intake pipe of a four-stroke internal combustion engine and further through the inlet duct into the combustion chamber. A regulating device is arranged in the intake pipe, which regulates the conveyed charged air as a function of operating parameters. In the intake pipe, internals for generating a swirl, such as swirl control valves or control flaps or suitable throttle bodies, are preferably arranged. If two inlet channels are used, a swirl can also be generated by switching off the channel. The homogenization and the charge movement of the mixture in the combustion chamber can thereby be increased. As an alternative to increasing turbulence or generating swirl, a variable tumble, ie a cylindrical charge movement in the combustion chamber, e.g. B. can be achieved by a tumble flap.
Die Intensivierung der Ladungsbewegung führt zu einem besseren Klopfverhalten der Brennkraftmaschine . Ferner wird durch das besser homogenisierte Gemisch bei Teillast das Auftreten von Zündaussetzern und unvollständiger Verbrennung verhindert. Dabei wird auch die Bildung von Rußpartikeln im Vergleich zu einem Schichtladebetrieb minimiert.The intensification of the charge movement leads to better knocking behavior of the internal combustion engine. Furthermore, the better homogenized mixture at part load prevents misfiring and incomplete combustion. The formation of soot particles is also minimized compared to stratified charging.
Als Lader kann ein Kreiselverdichter oder volumetrischer Verdichter dienen. Diese können von einer Abgasturbine oder mechanisch von der Brennkraftmaschine über ein Getriebe o- der von einem separaten Elektromotor angetrieben werden. Um eine optimale Anpassung des Laderverhaltens ans Kennfeld der Brennkraftmaschine zu erzielen, weist die Abgasturbine vorzugsweise ein integriertes Wastegate auf. Eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) oder mit einer variablen Schiebehülse (VST) ermöglicht des Weiteren eine optimale Anpassung des Laderverhaltens ans Kennfeld der Brennkraftmaschine. Dabei kann das Turbinenrad aus einem Keramikwerkstoff bestehen.A centrifugal compressor or volumetric compressor can serve as the loader. These can be driven by an exhaust gas turbine or mechanically by the internal combustion engine via a gearbox or by a separate electric motor. In order to achieve an optimal adaptation of the loader behavior to the map of the internal combustion engine, the exhaust gas turbine preferably has an integrated wastegate. A turbine with a variable turbine geometry (VTG) or with a variable sliding sleeve (VST) also enables the charging behavior to be optimally matched to the map of the internal combustion engine. The turbine wheel can consist of a ceramic material.
Vorzugsweise wird der Lader in der Teillast als eine Kalt- luft-Tubine betreiben (daley optimized turbo charger
(DOT) ) , so dass der Rotor des Abgasturboladers auf einem höheren Drehzahlniveau läuft. Dadurch kann ein verbessertes Ansprechverhalten bei einer Lastaufnahme erzielt werden.The charger is preferably operated as a cold air tube in the partial load (daley optimized turbo charger (DOT)), so that the exhaust gas turbocharger rotor runs at a higher speed level. As a result, an improved response behavior can be achieved when taking a load.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungs- beschreibung. Es zeigen:Further advantages result from the following description of the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zentral angeordneten Injektors im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,1 is a schematic representation of a centrally arranged injector in the combustion chamber of a supercharged internal combustion engine,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Anordung des Injektors einer Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1,2 is an enlarged sectional view of an arrangement of the injector of an internal combustion engine according to FIG. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines seitlich angeordneten Injektors im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,3 shows a schematic illustration of a laterally arranged injector in the combustion chamber of a supercharged internal combustion engine,
Fig. 4 eine schematische Anordnung von Auslass- bzw. Einlassventilen, einer Zündkerze bzw. Zündkerzen und einem Injektor im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung,4 shows a schematic arrangement of exhaust or intake valves, a spark plug or spark plugs and an injector in the combustion chamber of a supercharged internal combustion engine with direct injection,
Fig. 5 eine weitere schematische Anordnung von Auslassbzw. Einlassventilen, einer Zündkerze bzw. Zündkerzen und einem Injektor im Brennraum einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, undFig. 5 shows a further schematic arrangement of outlet or. Inlet valves, a spark plug or spark plugs and an injector in the combustion chamber of a supercharged internal combustion engine with direct injection, and
Fig. 6 ein Kennfeld einer Betriebsstrategie einer Brennkraftmaschine .6 shows a characteristic diagram of an operating strategy of an internal combustion engine.
Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine 3 weist gemäß Fig. 1 einen Zylinder 4 auf, in dem sich ein Kolben 6 zyklisch auf und ab bewegt. Der Zylinder 4 wird von einem Zylinderkopf 5
abgeschlossen, in dem ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9, eine Zündkerze 10 und ein Injektor 13 angeordnet sind. Im Zylinder 4 ist zwischen dem Kolben 6 und dem Zylinderkopf 5 ein Brennraum 7 gebildet. Der Kolben 6 weist eine Brennraummulde 14 auf der oberen Seite auf, deren Tiefe vorzugsweise bis zu fünf Millimeter beträgt. Der Kraftstoffinjektor 13 spritzt den Kraftstoff in einem oder in mehreren Kraftstoffstrahlen direkt in den Brennraum 7, wo sich der Kraftstoff mit der Verbrennungsluft vermischt und durch mindestens eine Zündkerze 10 gezündet wird. Die Verbrennungsluft gelangt zum Brennraum 7 durch ein Ansaugrohr 15. Die Abgase gelangen durch ein Abgasrohr 16 aus dem Brennraum 7 weiter über eine Abgasleitung 17 zu einer Abgasturbine 18 eines Abgasturboladers, die einen Lader 19 antreibt. Die vom Lader 19 geförderte Luft gelangt über eine Ladeluftleitung 20 zum Ansaugrohr 15.A spark-ignited internal combustion engine 3 has, according to FIG. 1, a cylinder 4 in which a piston 6 moves up and down cyclically. The cylinder 4 is supported by a cylinder head 5 completed, in which an inlet valve 8, an outlet valve 9, a spark plug 10 and an injector 13 are arranged. A combustion chamber 7 is formed in the cylinder 4 between the piston 6 and the cylinder head 5. The piston 6 has a combustion chamber trough 14 on the upper side, the depth of which is preferably up to five millimeters. The fuel injector 13 injects the fuel in one or more fuel jets directly into the combustion chamber 7, where the fuel mixes with the combustion air and is ignited by at least one spark plug 10. The combustion air reaches the combustion chamber 7 through an intake pipe 15. The exhaust gases pass through an exhaust pipe 16 from the combustion chamber 7 via an exhaust pipe 17 to an exhaust gas turbine 18 of an exhaust gas turbocharger, which drives a charger 19. The air conveyed by the charger 19 reaches the intake pipe 15 via a charge air line 20.
Die durch das Ansaugrohr 15 in den Brennraum 7 zugeführte Luft erfährt beim Durchströmen von Drosselorganen eine Turbulenzerhöhung, die im Brennraum weitgehend erhalten bleibt . Alternativ kann bei der Verwendung von zwei Einlassventilen durch eine KanalabSchaltung eine Drallbewegung im Brennraum 7 erzielt werden. Die zum Brennraum geförderte Luft kann durch einen nicht dargestellten Ladeluftkühler geführt werden, der als ein Wasser-/Ladeluftwärmetauscher ausgestaltet sein kann.The air fed into the combustion chamber 7 through the intake pipe 15 experiences an increase in turbulence when flowing through throttle bodies, which increase is largely retained in the combustion chamber. Alternatively, if two inlet valves are used, a swirl movement in combustion chamber 7 can be achieved by switching off the duct. The air conveyed to the combustion chamber can be passed through a charge air cooler, not shown, which can be configured as a water / charge air heat exchanger.
Die erforderliche Quantitätsregelung kann durch einen variablen Ladeluftstrom erfolgen, der beispielsweise durch eine variable Schaufelgeometrie in Abhängigkeit der Betriebsparameter verstellt wird. Der Abgasturbolader kann als Kreiselverdichter ausgebildet sein. Um das Ansprechverhalten des Turboladers zu verbessern und das sogenannte Turboloch gering zu halten, ist eine Drosselklappe 21 vor dem Verdichter angeordnet.
Die Zusammensetzung des Gemisches im Brennraum kann ferner durch eine Abgasrückführung günstig beeinflusst werden. Hierzu dient eine nicht dargestellte Abgasrückführleitung, die zum Ansaugrohr 15 führt.The required quantity control can be carried out by means of a variable charge air flow, which is adjusted, for example, by means of a variable blade geometry depending on the operating parameters. The exhaust gas turbocharger can be designed as a centrifugal compressor. In order to improve the response behavior of the turbocharger and to keep the so-called turbo lag low, a throttle valve 21 is arranged in front of the compressor. The composition of the mixture in the combustion chamber can also be favorably influenced by exhaust gas recirculation. For this purpose, an exhaust gas recirculation line, not shown, leads to the intake pipe 15.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansieht der Anordnung des Injektors 13 im Zylinderkopf 5. Der Injektor 13 ist zentral im Zylinderkopf 5 angeordnet, wobei eine Entfernung d einer Injektorauslassöffnung 13a zur Mittelachse 11 des Zylinders 4 in etwa 20 Millimeter oder weniger beträgt. Der Injektor 13 ist derart angeordnet, dass ein Winkel α zwischen einer Injektorachse 12 und der Zylindermittelachse 11 kleiner 20° ist. Der Brennraum 7 ist vorzugsweise als Dachbrennraum ausgebildet. Die Zündkerze 10 ist ebenfalls im zentralen Bereich des Zylinderkopfs 5 angeordnet. Der Injektor weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrlochdüse auf, welche als eine nach außen öffnende Düse ausgestaltet ist. Der Antrieb des Injektors erfolgt piezoelektrisch, wobei auch andere Injektorbetätigungen zweckmäßig sein können.2 shows an enlarged sectional view of the arrangement of the injector 13 in the cylinder head 5. The injector 13 is arranged centrally in the cylinder head 5, a distance d from an injector outlet opening 13a to the central axis 11 of the cylinder 4 being approximately 20 millimeters or less. The injector 13 is arranged such that an angle α between an injector axis 12 and the cylinder center axis 11 is less than 20 °. The combustion chamber 7 is preferably designed as a roof combustion chamber. The spark plug 10 is also arranged in the central region of the cylinder head 5. In the present exemplary embodiment, the injector has a multi-hole nozzle which is designed as an outwardly opening nozzle. The injector is driven piezoelectrically, although other injector actuations can also be expedient.
Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Brennkraftmaschine 3 analog zu der aus Fig. 1, wobei hier der Injektor 13 seitlich angeordnet ist. Der Injektor 13 ist derart geneigt angeordnet, dass ein Winkel ß zwischen der Injektorachse 12 und einer Horizontalen zwischen 20° und 70° beträgt.FIG. 3 also shows an internal combustion engine 3 analogous to that from FIG. 1, the injector 13 being arranged on the side here. The injector 13 is arranged inclined such that an angle β between the injector axis 12 and a horizontal is between 20 ° and 70 °.
In Fig. 4 und sind drei bevorzugte Anordnungen von Einlassund Auslassventilen, Injektor und Zündkerzen dargestellt. Die erste Variante VI in Fig. 4 zeigt zwei Einlassventile 8, ein Auslassventil 9, eine Doppelzündung 10 und einen zentral angeordneten Injektor 13. Dabei ist jede Zündkerze derart angeordnet, dass sie zwischen dem Injektor 13 und
einem äußeren Randbereich des Brennraums 7 liegt, und gleichzeitig in etwa zwischen einem Einlassventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet ist.4 and 3 show three preferred arrangements of intake and exhaust valves, injector and spark plugs. The first variant VI in FIG. 4 shows two inlet valves 8, one outlet valve 9, a double ignition 10 and a centrally arranged injector 13. Each spark plug is arranged such that it is between the injector 13 and an outer edge region of the combustion chamber 7, and at the same time is arranged approximately between an inlet valve 8 and the outlet valve 9.
Die zweite Variante V2 in Fig. 4 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, zwei Zündkerzen 10 und einen zentral angeordneten Injektor 13. Dabei sind die Einlassventile 8 auf einer Seite, die Auslassventile 9 auf der anderen Seite und jeweils eine Zündkerze im äußeren Bereich zwischen einem Einlassventil 8 und einem Auslassventil 9 angeordnet .The second variant V2 in FIG. 4 shows two inlet valves 8, two outlet valves 9, two spark plugs 10 and a centrally arranged injector 13. The inlet valves 8 are on one side, the outlet valves 9 on the other side and in each case one spark plug in the outer area arranged between an inlet valve 8 and an outlet valve 9.
Die dritte Variante V3 in Fig. 4 zeigt ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9, eine Zündkerze 10 und einen Injektor 13 auf. Der Injektor 13 und die Zündkerze sind seitlich angeordnet, so dass die Zündkerze 10 und der Injektor 13 jeweils in einem äußeren Bereich des Brennraums 7 zwischen dem Einlassventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet sind.The third variant V3 in FIG. 4 shows an inlet valve 8, an outlet valve 9, a spark plug 10 and an injector 13. The injector 13 and the spark plug are arranged laterally, so that the spark plug 10 and the injector 13 are each arranged in an outer region of the combustion chamber 7 between the inlet valve 8 and the outlet valve 9.
In Fig. 5 sind drei weitere bevorzugte Anordnungen von Ein- lass- und Auslassventilen, Injektor und Zündkerzen dargestellt. Die Variante V4 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, ein Auslassventil 9, zwei Zündkerzen 10 und einen seitlich angeordneten Injektor 13. Dabei ist jede Zündkerze derart angeordnet, dass sie in einem äußeren Randbereich des Brennraums 7 liegt, in dem der Injektor 13 nicht angeordnet ist, wobei sie gleichzeitig zwischen einem Einlassventil 8 und dem Auslassventil 9 angeordnet ist.5 shows three further preferred arrangements of intake and exhaust valves, injector and spark plugs. The variant V4 in FIG. 5 shows two inlet valves 8, one outlet valve 9, two spark plugs 10 and a laterally arranged injector 13. Each spark plug is arranged in such a way that it lies in an outer edge region of the combustion chamber 7, in which the injector 13 is not is arranged, wherein it is simultaneously arranged between an inlet valve 8 and the outlet valve 9.
Die Variante V5 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, eine zentral angeordnete Zündkerze 10 und einen seitlich angeordneten Injektor 13. Dabei ist der Injektor 13 in einem äußeren Bereich des Brennraums zwischen den beiden Einlassventilen 8 angeordnet.
Die letzte Variante V6 in Fig. 5 zeigt zwei Einlassventile 8, zwei Auslassventile 9, einen zentral angeordneten Injektor 13 und eine im zentralen Bereich angeordnete Zündkerze 10, die seitlich vom Injektor 13 zwischen den beiden Auslassventilen 9 angeordnet ist.The variant V5 in FIG. 5 shows two inlet valves 8, two outlet valves 9, a centrally arranged spark plug 10 and a laterally arranged injector 13. The injector 13 is arranged in an outer area of the combustion chamber between the two inlet valves 8. The last variant V6 in FIG. 5 shows two inlet valves 8, two outlet valves 9, a centrally arranged injector 13 and a spark plug 10 arranged in the central area, which is arranged laterally from the injector 13 between the two outlet valves 9.
Gemäß Fig. 6 ist ein Kennfeld einer Brennkraftmaschine dargestellt, welches sich insbesondere gut für eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine 3 mit Direkteinspritzung gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 eignet. Es sind zwei Betriebsbereiche dargestellt. Im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich 1 wird die Brennkraftmaschine zumindest zeitweise mit einem mageren homogenen Gemisch betrieben mit einem Luftverhältnis λ > 1. Bei den höheren Lasten 2 wird die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen bzw. fetten Gemisch betrieben mit einem Luftverhältnis λ < 1. Im Diagramm gemäß Fig. 6 ist die Auslastung L der Brennkraftmaschine über der Drehzahl N aufgetragen. Der Bereich 1 deutet den Bereich eines möglichen mageren Gemisches an, dessen Begrenzung durch eine verstärkte Ladungsbewegung ausdehnbar ist, so dass ein größerer Bereich erfasst wird, wodurch dann der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wesentlich reduziert werden kann.6 shows a characteristic diagram of an internal combustion engine, which is particularly well suited for a charged spark-ignition internal combustion engine 3 with direct injection according to FIG. 1 or FIG. 3. Two operating areas are shown. In the lower and middle speed and load range 1, the internal combustion engine is operated at least temporarily with a lean, homogeneous mixture with an air ratio λ> 1. At higher loads 2, the internal combustion engine is operated with a stoichiometric or rich mixture with an air ratio λ <1. The load L of the internal combustion engine is plotted against the speed N in the diagram according to FIG. 6. The area 1 indicates the area of a possible lean mixture, the limitation of which can be expanded by an increased charge movement, so that a larger area is covered, as a result of which the average fuel consumption of the internal combustion engine can then be significantly reduced.
Zur Erzielung eines homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisches erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs im Ansaughub und/oder im Anfangsteil des Kompressionshubes der Brennkraftmaschine 3. Um im Brennraum 7 eine Kraftstoffwandbe- netzung zu verhindern kann die Kraftstoffeinspritzung getaktet erfolgen. Die Homogenisierung des Gemisches wird durch die erzielte Turbulenzerhöhung der zugeführten Luft im Ansaugrohr 15 verstärkt . Bei der Verwendung von zwei Einlassventilen gemäß Variante 1, 2, 4, 5 und 6 kann wei-
terhin durch eine Kanalabschaltung eine Drallbewegung im Brennraum 7 erzielt werden.
In order to achieve a homogeneous fuel / air mixture, the fuel is injected in the intake stroke and / or in the initial part of the compression stroke of the internal combustion engine 3. The homogenization of the mixture is increased by the turbulence increase of the air supplied in the intake pipe 15. When using two inlet valves according to variant 1, 2, 4, 5 and 6, thereafter, a swirl movement in the combustion chamber 7 can be achieved by switching off the channel.