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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für fremdgezündete Kraftstoffe mit zumindest einem Einlasskanal, welcher im Bereich zumindest eines Einlassventiles in einen Brennraum mündet, mit zumindest einer Hochdruckeinspritzeinrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und mindestens einer in den Brennraum mündenden Zündquelle.
Es ist bekannt, dass bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung durch die Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum der Vorteil der inneren Kühlung des Brennraumes mit dem volumetrischen Vorteil des Ansaugens reiner Luft verbunden werden kann. Gegenüber optimierten Saugrohreinspritzmotoren lassen sich durch den direkt einspritzenden Otto-Motor beispielsweise Leistungssteigerungen im Drehzahlfenster konventioneller PKW-Motoren im Bereich von etwa 2 bis 5% verwirklichen. Die Vorteile des direkt einspritzenden Otto-Motors kommen besonders bei niedrigen und mittleren Drehzahlen und Leistungen zur Geltung. Bei sehr hohen Drehzahlen und Leistungen kommt es allerdings beim direkt einspritzenden Otto-Motor zu Problemen bei der Gemischbildung, da die Zeiten zwischen Einspritzung und Verbrennung zu kurz sind.
Es ist bekannt, durch Verwendung von zwei Hochdruckeinspritzeinrichtungen, welche beide in den Brennraum münden, eine effektive Verkürzung der Einspritzdauer und damit eine Verlängerung der Gemischbildungszeit zu erzielen. Zusätzlich kommt es durch die zwei Einspritzorte im Brennraum zu einer besseren Homogenisierung des eingespritzten Kraftstoffanteiles. Nachteilig ist allerdings, dass der Brennraum durch den Einbau von zwei Hochdruckeinspritzeinrichtungen wesentlich verändert werden muss. Darüber hinaus ist die Realisierung einer Ladungsschichtung im unteren Teillastbereich schwierig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine optimale Gemischbildung bei jedem Betriebspunkt zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch dass die Hochdruckeinspritzeinrichtung unmittelbar stromaufwärts eines Einlassventiles im Einlasskanal angeordnet ist, wobei bei geöffnetem Einlassventil die Achse des Einspritzstrahls in Richtung Brennraum weist. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Brennraum durch den Einbau der zumindest einen Hochdruckeinspritzeinrichtung nicht verändert werden muss, was insbesondere Vorteile bei der Kühlung bringt. Andererseits erreicht der über die Hochdruckeinspritzeinrichtung eingebrachte Kraftstoff nahezu unverdampft den Brennraum und steht vollständig zur Innenkühlung zur Verfügung.
Insbesondere wenn die Kraftstoffeinspritzung über die Hochdruckeinspritzeinrichtung während der Öffnungsphase des zumindest einen Einlassventiles erfolgt, wird der Eigenimpuls des Kraftstoffstrahles dazu genutzt, die Einströmgeschwindigkeit durch den Einlasskanal in den Brennraum zu erhöhen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Hochdruckeinspritzeinrichtung zumindest eine weitere Einspritzeinrichtung in den Einlasskanal einmündet. Die weitere Einspritzeinrichtung kann als Niederdruck- oder
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als Hochdruckeinspritzeinrichtung ausgeführt sein. Eine Niederdruckeinspritzeinrichtung ist zwar konstruktiv einfach, erfordert allerdings ein eigenes Niederdrucksystem. Um dieses zu vermeiden, kann es manchmal vorteilhaft sein, als weitere Einspritzeinrichtung eine weitere Hochdruckeinspritzeinrichtung einzusetzen. Auf diese Weise können die Vorteile des direkt eingebrachten Kraftstoffes und des homogen angesaugten Gemisches so kombiniert werden, dass eine Leistungserhöhung erzielt wird.
Dies erfolgt dadurch, dass die zur Erreichung des jeweiligen Wirkungsgradoptimums erforderlichen Daten über die durch die zumindest eine Hochdruckeinspritzeinrichtung eingespritzte Kraftstoffmenge und die durch die weitere Einspritzeinrichtung eingespritzte Kraftstoffmenge als Funktion der Motorbetriebsparameter Drehzahl, Last und/oder Betriebstemperatur in einem Kennfeld abgelegt werden und die Kraftstoffzumessung zu der zumindest einen Hochdruckeinspritzeinrichtung und der weiteren Einspritzeinrichtung für den jeweiligen Betriebspunkt gemäss dieser Daten erfolgt.
Da sich der Vorteil der Gemischansaugung bei höheren Drehzahlen verstärkt, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen der über die weitere Einspritzeinrichtung eingebrachten Kraftstoffmenge zu der über die zumindest eine Hochdruckeinspritzeinrichtung eingebrachte Kraftstoffmenge mit steigender Drehzahl und/oder steigender Leistung zunimmt.
Durch die Kombination von im Bereich des Einlassventiles erfolgender Hochdruckeinspritzung in den Brennraum und Einspritzung in den Einlasskanal wird die Strömungsgeschwindigkeit des in den Brennraum einströmenden Kraftstoffgemisches erhöht. Zudem wird durch die extrem brennraumnahe Anordnung der Hochdruckeinspritzeinrichtung gegenüber der konventionellen Saugkanaleinspritzung mit einer mehr oder weniger starken Wandfilmbildung das transiente Verhalten des Motors stark verbessert. Insbesondere bei mehreren Einlassventilen und Zweigkanälen ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar vor den Einlassventilen in jedem Zweigkanal eine Hochdruckeinspritzeinrichtung angeordnet ist. Hochdruckeinspritzeinrichtungen haben gegenüber Niederdruckeinspritzeinrichtungen den Vorteil einer sehr kurzen Einspritzzeit, einer guten Zerstäubung und einer starken Penetration.
Auf diese Weise können die Vorteile von Hochdruckeinspritzung in den Brennraum und Einspritzung in den Einlasskanal optimal miteinander kombiniert werden, sodass in jedem Betriebspunkt des Mo-
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand er Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in einer schematischen Draufsicht auf einen Zylinder, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Einlasskanal gemäss der Linie IIIl in Fig. !, Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 und Fig. 4 ein Leistungsdiagramm für diese Brennkraftmaschine.
In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine schematisch im Grundriss dargestellt, wobei zwei Auslassventile 2,3 und zwei Einlassventile 4,5 angedeutet sind. Über die Einlassventile 4,5 münden Zweigkanäle 6,7 eines Einlasskanales 8 in den Brennraum 9 des Zylinders 1 ein. Im Zylinder 1 ist ein hin- und hergehender Kolben 14 angeordnet.
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Unmittelbar vor dem entsprechenden Einlassventil 4, 5, aber ausserhalb des Brennraumes 9, ist in jedem Zweigkanal 6,7, vorzugsweise im Bodenbereich jeweils eine Hochdruckeinspritzeinrichtung 10, II vorgesehen, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10,11 können aber auch im Deckenbereich der Zweigkanäle 6,7 angeordnet sein.
Die optimale Anordnung hängt im wesentlichen von der Kanalgestaltung ab. Bei bekannten direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen münden derartige Hochdruckeinspritzeinrichtungen bisher direkt in den Brennraum. Die Mündungen 10a, lla der Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10,11, befinden sich dagegen im jeweiligen Zweigkanal 6,7, unmittelbar vor deren Einmündung in den Brennraum 9. Die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 sind dabei so angeordnet, dass die aus den Mündungen 1 Oa, 1 la der Hochdruckeinspritzeinrich- tungen 10,11 austretenden Einspritzstrahlen lOb, 11 bohne Benetzung der Wände der Teilkanäle 6,7 in den Brennraum gelangen.
Die Strahlachse lOd bzw. 11 d ist dabei gegenüber der Achse 10c bzw. llc der Hochdruckeinspritzeinrichtung 10,11 um einen Winkel a abgewinkelt, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht.
Zusätzlich ist stromaufwärts der Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 und stromaufwärts einer Steuereinrichtung, beispielsweise einer Drosselklappe 16 eine weitere Einspritzeinrichtung 12 im Einlasskanal 8 angeordnet, über welche eine Saugkanaleinspritzung erfolgt. Die weitere Einspritzeinrichtung 12 kann als Niederdruckeinspritzeinrichtung oder als Hochdruckeinspritzeinrichtung ausgebildet sein.
Zur Zündung des in den Brennraum 9 eingebrachten Kraftstoffes mündet mindestens eine Zündeinrichtung 13 in den Brennraum 9 ein. Die Zündeinrichtung 13 kann sich dabei beispielsweise zentral im Bereich der Zylinderachse la befinden. Weitere mögliche Positionen für die Zündeinrichtung bzw. die Zündeinrichtungen 13 sind in Fig. 1 mit strichlierten Linien angedeutet. So kann sich die Zündeinrichtung 13, beispielsweise zwischen den beiden Zweigkanälen 6,7 des Einlasskanales 8, auf der Einlassseite befinden. Die Zündeinrichtung 13 kann aber auch im Bereich einer Motorlängsebene 1 b zwischen einem Auslassventil 2 bzw. 3 und einem Einlassventil 4 bzw. 5 angeordnet sein.
Durch die Anordnung der Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 im Einlasskanal 8 unmittelbar vor den Einlassventilen 4,5 braucht der Brennraum 9 nicht verändert werden, sodass mehr Freiheiten für die konstruktive Gestaltung des Zylinderkopfes 15 bei der Anordnung des Brennraumes 9 und der Mündungen der Auslassventile 2,3 der Einlassventile 4,5 und der Zündeinrichtung 13 zur Verfügung stehen.
Der über die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, II bei geöffneten Einlassventilen 4,5 in den Brennraum 9 eingebrachte Kraftstoff erreicht nahezu unverdampft den Brennraum 9.
Bei höheren Drehzahlen bzw. höherer Leistung reichen die Zeiten zwischen Einspritzung und Verbrennung nicht mehr zur optimalen Gemischbildung im Brennraum 9 aus. Deshalb wird zumindest bei höheren Drehzahlen der Kraftstoff nicht nur über die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10,11, sondern auch über die weitere Einspritzeinrichtung 12 eingespritzt. Durch die Saugkanaleinspritzung über die weitere Einspritzeinrichtung 12 wird somit die Gemischaufbereitung verbessert und dadurch die Vorteile des direkt eingebrachten Kraftstoffes
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und des homogen angesaugten Gemisches miteinander kombiniert, sodass eine Leistungserhöhung gegenüber konventionellen Lösungen erreicht wird. Durch die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 wird der Brennraum 9 optimal gekühlt und die Klopfneigungen der Brennkraftmaschine verringert.
Die Saugkanaleinspritzung über die weitere Einspritzeinrichtung 12 dagegen bewirkt, dass das Kraftstoff-Luftgemisch optimal homogenisiert wird. Gleichzeitig wird das angesaugte Gemisch abgekühlt und die angesaugte Gasmasse dadurch erhöht. Der Eigenimpuls des über die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 in den Brennraum 9 eingebrachten Kraftstoffstrahles 10a, l la wird genutzt, um die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Gemisches in diesem Bereich zu erhöhen, da die Einspritzung während des Ansaugtaktes erfolgt. Das transiente Verhalten der Brennkraftmaschine wird durch die extrem brennraumnahe Anordnung der Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 1 1 gegenüber Brennkraftmaschinen mit konventioneller Einlasskanaleinspritzung mit einer mehr oder weniger starken Wandfilmbildung stark verbessert.
Durch die brennraumnahen Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 wird eine äusserst kurze Einspritzzeit und eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes erreicht.
Fig. 4 zeigt ein Leistungsschaubild, in dem auf der Ordinate die Leistung P und auf der Abszisse die Menge des flüssig bzw. gasförmig eingebrachten Kraftstoffes aufgetragen ist. Ganz links im Schaubild befindet sich dabei der Bereich einer 100%ig flüssigen Kraftstoffeinbringung FF, wie sie von konventionellen Direkteinspritzsystemen mit in den Brennraum mündenden Hochdruckeinspritzeinrichtungen bekannt ist. Ganz rechts auf der Abszisse ist die 100%ig als homogenes Kraftstoffgemisch vorliegende Kraftstoffeinbringung Fc eingetragen, wie sie von konventionellen Saugrohreinspritzsystemen bekannt ist.
Die 100% flüssige Kraftstoffeinbringung FF hat den Vorteil, dass reine Luft angesaugt wird und dass durch den Kraftstoffstrahl 1 Ob, 11 b eine optimale Innenkühlung des Brennraumes 9 mit entsprechender Verbesserung der Klopfneigung erfolgt. Durch die Innenkühlung und den volumetrischen Vorteil des Ansaugens reiner Luft lassen sich gegenüber optimierter Saugrohreinspritzung Leistungssteigerungen im Drehzahlfenster konventioneller PKW-Brennkraftmaschinen im Bereich von etwa 2 bis 5% verwirklichen.
Die 100%ig als homogenes Gemisch vorliegende Kraftstoffeinbringung FG hat dagegen den Vorteil, dass eine optimale Homogenisierung und Gemischbildung vorliegt und dass je nach Ausführung ein unterschiedlicher Abkühlungsgrad des angesaugten Kraftstoffgemisches mit der damit verbundenen Erhöhung der angesaugten Gasmassen im Vergleich zu einer konventionellen Direkteinspritzung erreicht wird. Im Leistungsschaubild sind die beiden Grenzfälle für die Verdampfungswärme eingezeichnet. Die Linie A deutet dabei den Fall an, dass die Verdampfungsenergie gänzlich im Gemisch vorliegt. Die gestrichelt dargestellte Linie B zeigt dagegen den Grenzfall, bei der die Verdampfungswärme gänzlich an den Wänden der Einlasskanäle abgegeben wird.
Bei der vorliegenden Erfindung wird je nach Motorbetriebsbereich zwischen 100%ig flüssiger Fp und 100% ig gasförmiger Kraftstoffeinbringung FG variiert. Im in Fig. 4 mit Bezugszeichen C eingetragenen Beispiel erfolgt die Gemischeinbringung zu etwa 40% direkt über die
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Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10,11 und zu etwa 60% homogen über die weitere Einspritzeinrichtung 12, entsprechend dem vorliegenden Leistungsoptimum im aktuellen Betriebspunkt.
Durch die vorliegende Erfindung können die Vorteile des direkt eingebrachten Kraftstoffes und des homogen angesaugten Gemisches miteinander kombiniert werden, sodass eine Leistungserhöhung erzielt wird. Dabei erfolgt die Aufteilung der über die Hochdruckeinspritzeinrichtungen 10, 11 und die weitere Einspritzeinrichtung 12 eingebrachten Kraftstoffmengen entsprechend der optimalen Leistungsabgabe.