AT2538U1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einer einspritzvorrichtung pro zylinder - Google Patents

Brennkraftmaschine mit zumindest einer einspritzvorrichtung pro zylinder Download PDF

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Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung (7) pro Zylinder (1) zur direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum (6) ist die Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) in einer durch den Zylinderkopf (4) gebildeten Brennraumdeckfläche (5) angeordnet. Um die Bildung von Ablagerungen und Verkokungen im Bereich der Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) zu verringern, ist der Bereich um die Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) als Strömungsleitfläche (11, 11a) für eine Drall- und/oder Tumbleströmung ausgebildet.

Description

AT 002 538 Ul
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung pro Zylinder zur direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum, wobei die Mündung der Einspritzvorrichtung in einer durch den Zylinderkopf gebildeten Brennraumdeckfläche angeordnet ist.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Fremdzündung, können Ablagerungen und Verkokungen im Düsenmündungsbereich die Strahlcharakteristik erheblich verändern. Das kann verhindert werden, wenn die Temperatur an der Injektormündung durch thermische Anbindung der Einspritzvorrichtung an den Zylinderkopf unterhalb der Verkokungstemperatur gehalten wird. Dabei wird der vordere Teil der Einspritzvorrichtung mechanisch mit dem Zylinderkopf gekoppelt, um eine gute Wärmeableitung vom Injektor in den Zylinderkopf zu erreichen. Dies hat allerdings den Nachteil, daß es zu zusätzlicher Spannungseinleitung in den Zylinderkopf kommt.
Eine andere Möglichkeit, die Verkokungsbildung im Düsenmündungsbereich zu vermeiden ist, die Temperatur an der Mündung der Einspritzvorrichtung oberhalb der sogenannten „Freibrenntemperatur“ zu bringen, sodaß Ablagerungen abgebrannt werden können. Wegen dem großen thermischen Arbeitsbereich einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge und der häufig im vorderen Bereich der Einspritzvorrichtung erfolgenden Kraftstoffzumessung kann diese Maßnahme nicht bei allen Einspritzsystemen durchgefuhrt werden.
Weiters kann die Verkokungsbildung dadurch verringert werden, daß die Düsenmündung in den Bereich einer Quetschfläche verlegt wird, um die Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Mündung zu erhöhen. Die Wirkung dieser Maßnahme ist allerdings auf einen engen Bereich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beschränkt. Nach dem oberen Totpunkt hingegen wird die Flamme und der imverbrannte Kraftstoff in den Bereich der Mündung der Einspritzvorrichtung zurückgesaugt. Dadurch kommt es zur Temperaturerhöhung und zu verstärkter Ablagerungsbildung im Bereich der Mündung. Daneben wird die Verbrennung verschlechtert und der Kraftstoffverbrauch und die CH-Emissionen erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und die Bildung von Ablagerungen und Verkokungen im Bereich der Mündung der Einspritzvorrichtung in den Brennraum zu vermindern.
Erfmdungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Bereich um die Mündung der Einspritzvorrichtung als Strömungsleitfläche für eine Drall- oder eine Tumbleströmung ausgebildet ist. Dadurch, daß der Bereich um die Mündung der Einspritzvorrichtung als Strömungsleitfläche ausgebildet ist, wird die Grundströmung im Zylinder derart geführt, daß der zuletzt die Einspritzvorrichtung verlassende Kraftstoff sehr rasch von der Einspritzvorrichtung weg zum Zündort transportiert wird. Die Strömungsleitflächen unterstützen dabei die Drall- oder Tum- 2 AT 002 538 Ul bleströmung. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Mündung wird der Kraftstoff von der Mündung weg und zum Zündort transportiert und es entstehen weniger Ablagerungen. Zusätzlich wird die Schichtungsbildung im Brennraum speziell gegen das Einspritzende hin verbessert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Strömungsleitfläche durch die Brennraumdeckfläche und/oder die Oberfläche eines Kolbens gebildet ist. Die Strömung kann dadurch gezielt in Richtung des Zündortes, beispielsweise in die Brennraummitte, gelenkt werden. Zusätzlich entsteht ein Kühlungseffekt durch die Grundströmung.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Strömungsleitfläche zumindest zum Teil durch eine Ausnehmung gebildet ist. Genauso kann vorgesehen sein, daß die Strömungsleitfläche zumindest zum Teil durch eine Leitrippe gebildet ist. Die solcherart gebildeten Strömungsleitflächen sind einfach zu fertigen und haben keine nachteiligen Auswirkungen auf den inhomogenen Verbennungsvorgang.
Die Strömungsgeschwindigkeiten werden in ausreichendem Maße erhöht, wenn die maximale Ausdehnung der Strömungsleitfläche - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse -etwa ein Viertel bis die Hälfte des Zylinderdurchmessers, vorzugsweise etwa ein Drittel des Zylinderdurchmessers beträgt. Dabei ist es günstig, wenn der größte Abstand der Strömungsleitfläche von der Zylinderkopfebene im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeckfläche liegt und mindestens dem Abstand des kolbenfemsten Punktes der Mündung von der Zylinderkopfebene entspricht.
Eine weitere Maßnahme, die Gefahr der Verkokung zu verringern besteht darin, daß die Strömungsleitfläche konkav geformt ist und vorzugsweise ihre größte Krümmung in einem Austrittsbereich der Strömung und/oder im Bereich der Mündung der Einspritzvorrichtung liegt.
Die Strömungsleitfläche kann - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse betrachtet -entweder eine asymmetrische oder eine symmetrische Form aufweisen. Die asymmetrische Form eignet sich besonders zur Unterstützung einer Drallströmung. Bei Tumblebewegungen wird bevorzugt eine symmetrische Form der Strömungsleitfläche verwendet.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckflächen angewandt werden. Sie eignet sich prinzipiell aber auch für jede andere Brennraumform und jede Anzahl von Gaswechselventilen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Querschnitt in einer Ausfuhrungsvariante, Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch den Mündungsbereich der Einspritzvonichtung gemäß der Linie III-III in Fig. 2, Fig. 3a einen Schnitt analog zu Fig. 3 mit symmetrisch ausgebildeter Strömungsleitfläche, Fig. 4 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit vier Ventilen pro Zylin- 3 AT 002 538 Ul der, Fig. 5 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit drei Ventilen pro Zylinder, Fig. 6 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit zwei Ventilen pro Zylinder, Fig. 7 eine Schrägansicht auf die Oberfläche eines Kolbens gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung, Fig. 8 den Zylinder einer erfin-dungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer weiteren Ausführungsvariante, Fig. 9 eine Schrägansicht eines Kolbens der in Fig. 8 gezeigten Brennkraftmaschine und Fig. 10 einen Querschnitt eines Kolbens in einer gegenüber der Fig. 9 modifizierten Ausführungsvariante.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine, in welchem ein hin- und hergehender Kolben 2 angeordnet ist. Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 und die dachförmig ausgebildete, durch den Zylinderkopf 4 gebildete Brennraumdeckfläche 5 begrenzen einen Brennraum 6, in welchen eine Einspritzvorrichtung 7 einmündet, deren Mündung 8 seitlich in der Brennraumdeckfläche 5 angeordnet ist. In den Brennraum 6 münden weiters Gaswechselkanäle 9 und 10 für die Luftzufuhr und die Abgasabfuhr. Mit 9a und 10a sind die entsprechenden Ventile für die Einlaß- und Auslaßströmung bezeichnet.
Im Bereich der Mündung 8 der Einspritzvorrichtung 7 sind Strömungsleitflächen 11 zur Unterstützung einer mit den Pfeilen 12 angedeuteten Drallströmung vorgesehen, wie aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht. Unter einer Drallströmung ist eine Strömung um die Zylinderachse la zu verstehen. Die Strömungsleitflächen 11 werden zumindest zum Teil durch Ausnehmungen in der Brennraumdeckfläche 5 gebildet. Die in den Fig. 3 bis 6 eingezeichneten Strömungsleitflächen 11 haben eine besonders zur Unterstützung einer Drallströmung geeignete asymmetrische Form und sind im wesentlichen zur in der Nähe der Zylinderachse la vorgesehenen Zündquelle 13 gerichtet. Zur Unterstützung einer Tumbleströmung ist es günstig, wenn die Strömungsleitfläche eine symmetrische Form aufweist, wie Fig. 3a zeigt. Unter einer Tum-bleströmung ist dabei eine Wirbelströmung um eine zur Zylinderachse la normale Achse zu verstehen. Wie aus den Fig. 4, 5 und 6 ersichtlich ist, kann die Strömungsleitfläche 11 für beliebige Anzahl von Gaswechselkanälen 9 und 10 verwirklicht werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der die Strömungsleitflächen 11a durch Ausnehmungen in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 gebildet sind. Die Strömungsleitflächen 11a sind - analog zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante - zur Zündquelle 13 gerichtet.
In den Fig. 1 bis 7 sind die Strömungsleitflächen 11 so ausgebildet, daß Drallströmungen unterstützt werden. Die Strömungsleitflächen 11 sind dabei konkav zwischen einem Ein-trittsbereich 1Γ und einem Austrittsbereich 11“ geformt, wobei vorzugsweise die größte Krümmung im Bereich der Mündung 8 oder im Austrittsbereich 11 vorliegt. In einem Querschnitt parallel zur Zylinderkopfebene 4a durch den Bereich der Mündung 8 kann die Strömungsleitfläche 11 einen stetig gekrümmten, parabelartigen Verlauf aufweisen, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die maximale Ausdehnung B der Strömungsleitfläche 11, 11a beträgt - in Richtung der Zylinderachse la betrachtet - etwa ein Viertel bis die Hälfte, vorzugsweise etwa 4 AT 002 538 Ul ein Drittel des Zylinderdurchmessers D. Die von der Zylinderkopfebene 4a entfernteste Stelle S der Strömungsleitfläche 11, 11a befindet sich im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeckfläche 5. Der entsprechende Abstand ist mit H bezeichnet und entspricht mindestens der maximalen Entfernung Hj im mit P bezeichnten Bereich der Mündung 8 der
Einspritzvorrichtung 7 von der Zylinderkopfebene 4a.
Der maximale Abstand T zur umgebenden Brennraumdeckfläche 5 beträgt zwischen 0,1 und 1, vorzugsweise etwa 0,5 mal dem Durchmesser M der Einspritzbohrung 7a.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Ausfuhrungsvarianten mit Tumbleströmungen unterstützende Strömungsleitflächen 11, 11a. In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsvariante weist dabei die Brennraumdeckfläche 5 durch Ausnehmungen gebildete Strömungsleitflächen 11 auf, welche ein Aufrichten der Tumbleströmung 12 unterstützen und in Richtung der Zündquelle 13 lenken. Die Strömungsleitfläche 11 kann dabei - wie in Fig. 3a gezeigt ist - symmetrisch zu einer Motorquerebene angeordnet sein. Zusätzlich sind in der in Fig. 8 gezeigten Ausfuh-rungsvariante auch Strömungsleitflächen 1 la in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 vorgesehen. Diese werden beispielsweise durch eine geeignete Formgebung der Kolbenmulde 3a gebildet, welche über die Strömungsleitfläche 11a im Bereich des Einspritzortes zum Kolbenrand 2a hin ausläuft, wie in Fig. 9 ersichtlich ist.
Zusätzlich oder anstelle dazu kann im Austrittsbereich 11“ der Strömungsleitfläche 11a eine Leitrippe 11b am Kolben 2 vorgesehen sein, um die Strömung 12 zu unterstützen, wie aus Fig. 10 hervorgeht.
Durch die gezielte Strömungsführung mittels der Strömungsleitflächen 11,1 la im Bereich der Mündung 8 der Einspritzvorrichtung 7 werden insbesondere am Einspritzende Kraftstofffeste von der Mündung 8 weggeblasen und zur Zündquelle 13 bewegt. Dadurch können Ablagerungen und Verkokungen im Bereich der Mündung 8 wirksam vermindert werden. Die Strömungsleitflächen 11, 11a verbessern zudem die Ladungsschichtung, insbesondere gegen Einspritzende hin. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Strömungsleitflächen 11, 11a sowohl in der Brennraumdeckfläche 5, als auch in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 vorgesehen sind. 5

Claims (10)

  1. AT 002 538 Ul ANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung (7) pro Zylinder (1) zur direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum (6), wobei die Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) in einer durch den Zylinderkopf (4) gebildeten Brennraumdeckfläche (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich um die Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) als Strömungsleitfläche (11, 11a) für eine Drall- oder eine Tumbleströmung ausgebildet ist.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11, 11a) durch die Brennraumdeckfläche (5) und/oder die Oberfläche (3) eines Kolbens (2) gebildet ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11,11a) zumindest zum Teil durch eine Ausnehmung gebildet ist.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11,11a) zumindest zum Teil durch eine Leitrippe gebildet ist.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ausdehnung (B) der Strömungsleitfläche (11, 11a) - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse (la) - etwa ein Viertel bis die Hälfte des Zylinderdurch-messers (D), vorzugsweise etwa ein Drittel des Zylinderdurchmessers (D) beträgt.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Abstand (H) der Strömungsleitfläche (11, 11a) von der Zylinderkopfebene (4a) im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeckfläche (5) liegt und mindestens dem Abstand (H() des kolbenfemsten Punktes (P) der Mündung (8) von der Zylinderkopfebene (4a) entspricht.
  7. 7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11) zur umgebenden Brennraumdeckfläche (5) einen maximalen Abstand (T) zwischen etwa 0,1 und 1, vorzugsweise etwa 0,5 mal dem Durchmesser (M) der Einspritzbohrung (7a) beträgt.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11, 11a) konkav geformt ist und vorzugsweise ihre größte Krümmung in einem Austrittsbereich (11“) der Strömung (12) und/oder im Bereich der Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) liegt.
  9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11,1 la) - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse (la) - eine asymmetrische Form aufweist. 6 AT 002 538 Ul
  10. 10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitfläche (11, 1 la) - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse (la) - eine symmetrische Form aufweist. 7
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