DE10021816C2 - Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein von einem längsbeweglich angeordneten Kolben begrenzter Brenn­ raum gebildet ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 197 08 154 C2 bekannt.

Die DE 197 08 154 C2 zeigt eine Otto-Brennkraftma­ schine mit einer ortsfest in den Brennraum ragenden Mittelelektrode einer Zündkerze und eine aus dem Kol­ benboden in den Brennraum ragende und von dem Kolben in Richtung auf die Mittelelektrode bewegbare Mas­ seelektrode. Durch eine Zündanlage wird zu einem vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängigen Zünd­ zeitpunkt ein von der Mittelelektrode auf die Mas­ seelektrode überspringender Zündfunke zur Zündung ei­ nes Kraftstoff/Luft-Gemisches ausgelöst. Der Kraft­ stoff wird durch einen in dem Brennraumdach angeordne­ ten Injektor mittels einer Kegelstrahldüse einge­ spritzt, so daß ein sich symmetrisch aufweitender Ke­ gelstrahl erzeugt wird. Dabei befindet sich die Mit­ telelektrode außerhalb und die Masseelektrode inner­ halb des Kegelstrahls.

Jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kann bezüg­ lich der momentanen Betriebslast bei jeder Drehzahl ein spezifischer Zündzeitpunkt zugeordnet werden. So­ mit kann im unteren Teillastbereich der Brennkraftma­ schine die Zündung zu frühen Zeitpunkten bei Kolben­ stellungen deutlich vor dem Erreichen des oberen Tot­ punktes erfolgen. Da die mit dem Kolben bewegliche Masseelektrode zum frühen Zündzeitpunkt weit von der Mittelelektrode beabstandet ist, wird eine lange Fun­ kenstrecke erzielt. Die Wahrscheinlichkeit in dem ver­ dichteten kraftstoffarmen Gemisch auf der Funkenstrec­ ke kleine Volumina mit örtlich höherer Kraftstoffan­ reicherung vorzufinden, die durch den Zündfunken ent­ flammbar sind, ist somit gesteigert.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung der Masseelek­ trode besteht darin, daß mit zunehmender Betriebslast und zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine ein späterer Zündzeitpunkt gewählt werden kann, bei dem der Abstand zwischen den Elektroden geringer ist. Der Spannungsbedarf zur Auslösung eines Zündfunkens, wel­ cher mit der Betriebslast und somit dem Brennraumdruck steigt, jedoch mit abnehmendem Abstand der Elektroden zum Zündzeitpunkt fällt, ist somit über den gesamten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine annähernd gleich. Die Zündanlage braucht daher lediglich Zünd­ spannungen innerhalb enger Grenzen liefern.

Durch die DE 197 08 154 C2 werden die insbesondere im Teillastbetrieb der bekannten Brennkraftmaschine immer wieder vorkommenden unvollständigen Verbrennungen oder gar Fehlzündungen stark reduziert.

Nachteilig bei der bekannten Otto-Brennkraftmaschine ist allerdings, daß eine Ausgestaltung des Injektors mit einer Kegelstrahldüse zur Abspritzung eines sich symmetrisch aufweitenden Kegelstrahles und eine Anord­ nung der Mittelelektrode außerhalb und der Masseelekt­ rode innerhalb des Kegelstrahles aufwendig ist.

Nachteilig bei allen aus dem Stand der Technik bekann­ ten Brennkraftmaschinen ist außerdem, daß die Herstel­ lung eines mit einer Masseelektrode versehenen Kolben­ bodens teuer ist und die vorteilhafte Geometrie des Kolbenbodens durch eine von dem Kolbenboden in den Brennraum ragende Masseelektrode gestört wird.

Von Nachteil ist außerdem, daß bei geringen Einspritz­ mengen im Schichtladungsbetrieb die Entflammungswahr­ scheinlichkeit des Kraftstoff/Luft-Gemisches nicht mit einer wünschenswert hohen Wahrscheinlichkeit garan­ tiert werden kann. Darüber hinaus kann eine Diffusion von Kraftstoff in Brennraumrandbereiche nicht auf ein akzeptables niedriges Niveau verringert werden.

Zum allgemeinen Stand der Technik wird ferner auf die DE 36 01 299 A1, die US 5 590 629 und die WO 96/13660 verwiesen.

Aus der Schrift US 4774914 ist eine Zündvorrichtung bekannt, bei der ein Kolbenboden bzw. eine Kolbenmulde als Masseelektrode verwendet wird.

Eine aus der Schrift DE 536 932 bekannte Ausführung sieht zur Übertragung eines Zündfunkens auf der Kolbenoberfläche ein nach oben ausgebildeter Vorsprung vor.

Das Dokument DE 196 29 171 A1 sieht eine Vorrichtung vor, mit der die Kraftstoffwolke eines Schichtlademotors elektrisch aufgeladen wird. Das aufgeladene Gemisch wird dann durch eine Zündkerze, welche keine Masseelektrode aufweist, derart gezündet, dass der Zündfunke zwischen der Zündelektrode und der geladenen Kraftstoffwolke überspringt. Dabei dient die Kolbenbodenoberfläche als Masseelektrode.

Aus der Schrift DE 21 33 994 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der vorgeschlagen wird, die Kolbenoberfläche als Masseelektrode zu verwenden. Dabei soll ein kleiner Metallstift auf dem Kolbenboden aufgeschweißt werden oder die Kolbenbodenoberfläche mit einer nach oben ausgebildeten Spitze versehen, um das Überspringen des Funkens durch auf der Kolbenoberfläche ausgebildete Ölkohle nicht zu verhindern.

Die Schrift JP 11-182398 offenbart eine Brennkraftmaschine, in der im Brennraum eine Kolbenmulde vorgesehen wird. Bei der in der JP 11-182398 offenbarten Ausführung ist innerhalb der Kolbenmulde ein Stift angeordnet, der als Masseelektrode dienen soll. Eine seitlich Anordnung des Stifts in der Wandung der Kolbenmulde ist weiterhin vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Otto-Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß beim Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere bei geringen Einspritzmengen im Schichtladungsbetrieb, eine zuverlässige und vollständige Verbrennung erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Otto- Brennkraftmaschine gelöst, welche mindestens einen Zylinder, in dem ein von einem längsbeweglich angeordneten Kolben begrenzter Brennraum gebildet ist, eine in den Brennraum ragende Mittelelektrode einer Zündkerze, eine im Bereich eines Kolbenbodens angeordneten, von dem Kolben in Richtung auf die Mittelelektrode bewegbaren Massenelektrode und einen Injektor aufweist, durch den Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist. Zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches wird durch wenigstens ein Einlaßventil Verbrennungsluft zugeführt, wobei durch eine Wandung (10) einer Kolbenmulde (9) eine Massenelektrode derart ausgebildet ist, dass ein Vorsprung (11) aus der Wandung (10) in die Kolbenmulde (9) spitzwellenförmig hineinragt.

Dadurch, daß die Massenelektrode durch eine Wandung einer Kolbenmulde bildbar ist, läßt sich der Vorteil, daß die Mittelelektrode und die Massenelektrode in Abhängigkeit der Kolbenstellung unterschiedliche Ab­ stände aufweisen und somit unterschiedliche Zündzeit­ punkte für die verschiedenen Betriebszustände gewählt werden können, in besonders vorteilhafter Weise reali­ sieren. Insbesondere im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine kann somit das magere Kraftstoff/­ Luft-Gemisch zuverlässig und vollständig entzündet werden. Die Funkenstrecke kann dabei in Bereichen po­ sitioniert werden, in denen eine Quetschflächenströ­ mung weniger ausgeprägt ist und in denen ein fetteres Gemisch vorliegt. Die Diffusion im Brennraumrandbe­ reich nimmt ab und die Entflammung erfolgt unter güns­ tigen Randbedingungen. Daraus resultiert ein verbes­ sertes Emissionsverhalten, ein höherer Wirkungsgrad und eine Abnahme der zyklischen Schwankungen des Mit­ teldrucks.

Gegenüber konventionellen Zündkerzen wird die Gemisch­ ausdünnung im Randbereich der Funkenstrecke reduziert. In vorteilhafter Weise resultiert daraus auch eine höhere Laufruhe.

Dadurch, daß die Wandung der Kolbenmulde die Massen­ elektrode bildet, läßt sich diese in besonders vor­ teilhafter Weise praktisch ohne zusätzlichen Aufwand herstellen. Ein aufwendiges Anbringen, Befestigen bzw. Einarbeiten einer Massenelektrode auf den Kolbenboden kann entfallen. Der Kolben läßt sich somit in beson­ ders kostengünstiger und einfacher Weise herstellen. Zusätzliche Kosten bei der Herstellung des Kolbens fallen nicht an, da die Kolbenmulde, unabhängig von ihrer erfindungsgemäßen Funktion als Massenelektrode, im allgemeinen sowieso zur Unterstützung der Gemisch­ bildung vorhanden ist.

In nicht naheliegender Weise haben die Erfinder er­ kannt, daß sich die Kolbenmulde nicht nur zur vorteil­ haften Gemischbildung einsetzen läßt, sondern daß die Wandung der Kolbenmulde gleichzeitig als Massenelek­ trode verwendet werden kann, auf die der Funken der Mittelelektrode in vorteilhafter Weise überspringen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprü­ chen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Teils eines Zylinders mit einem im oberen Totpunkt befindlichen Kolben;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt eines Teils eines Zylinders mit einem Winkel von 30° vor dem oberen Totpunkt befindlichen Kolben; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zylinder mit einem Kolben mit einer Kolbenbodenmulde, einem In­ jektor und einer Mittelelektrode gemäß der Li­ nie III-III der Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 einer nicht näher darge­ stellten Otto-Brennkraftmaschine dargestellt, in dem ein längsbeweglich angeordneter Kolben 2 einen Brenn­ raum 3 begrenzt. In einem Brennraumdach 4 ist ein In­ jektor 5 angeordnet, durch den Kraftstoff in den Brennraum 3 einspritzbar ist.

Bei Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshu­ bes des Kolbens 2 wird dabei eine geschichtete Brenn­ raumladung mit Verbrennungsluft gebildet, welche in herkömmlicher Weise durch ein oder mehrere nicht dar­ gestellte Einlaßventile dem Brennraum 3 zugeführt wird. Dabei kann die Verbrennungsluft in bekannter Weise, beispielsweise durch ein sogenanntes Swirl- Verfahren oder ein Tumble-orientiertes Verfahren, in den Brennraum 3 eingeströmt werden.

Wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich, ist in dem Brennraumdach 4 eine mit einer Mittelelektrode 6 ver­ sehene Zündkerze 7 angeordnet.

Ein Kolbenboden 8 des Kolbens 2 weist eine Kolbenmulde 9 mit einer die Kolbenmulde 9 begrenzenden Wandung 10 auf. Durch die Wandung 10 der Kolbenmulde 9 ist eine Massenelektrode 10 bildbar. Die Wandung 10 der Kolben­ mulde 9 weist somit zum einen die Funktion auf, die Gemischbildung zu unterstützen und zum anderen stellt sie die Massenelektrode 10 dar.

Nach der inneren Gemischbildung wird die Verbrennung im Brennraum 3 durch einen Zündfunken ausgelöst, wel­ cher im gemischgefüllten Raum zwischen der Mittelelek­ trode 6 und der Massenelektrode 10 überspringt. Die zur Zündung notwendige Zündspannung, welche eine Lichtbogenentladung zwischen der Mittelelektrode 6 und der Massenelektrode 10 auslöst, kann in herkömmlicher Weise durch eine nicht dargestellte Wechselspannungs­ zündanlage geliefert werden. Selbstverständlich ist auch ein Einsatz anderer bekannter Zündanlagen mög­ lich.

Die Zündung kann in der aus der DE 197 08 154 C2 be­ kannten Weise während des Kompressionshubes des Kol­ bens 2 eingeleitet werden, wobei sich der Kolben 2 mit der Wandung 10 bzw. der Massenelektrode 10 in Richtung auf die Mittelelektrode 6 bewegt. Jedem möglichen Zündzeitpunkt ist dadurch geometrisch eine bestimmte Kolbenstellung und damit ein bestimmter Abstand zwi­ schen den Elektroden 6, 10 zugeordnet. Der Abstand zwischen den Elektroden 6, 10 entspricht der Funken­ länge. Dabei entspricht die Funkenlänge jeweils dem kürzesten Abstand zwischen der Mittelelektrode 6 und einem Bereich der Wandung 10.

Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, weist die Wandung 10 der Kolbenmulde 9 zur Erleichterung eines Funkenüberschlags einen in die Kolbenmulde 9 ragenden Vorsprung 11 auf. Durch den Vorsprung 11 wird ein be­ sonders vorteilhafter Funkenüberschlag von der Mittel­ elektrode 6 zu der Massenelektrode 10 erzielt. Die bekannte vorteilhafte Gemischbildung durch die Kolben­ mulde 9 wird durch den Vorsprung 11 in keinster Weise eingeschränkt.

Um eine vollständige Verbrennung in sämtlichen Be­ triebspunkten der Brennkraftmaschine und dementspre­ chend unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen in dem Brennraum 3 zu erreichen, ist jedem Betriebspunkt ein spezifischer Zündzeitpunkt zugeordnet. Bei niedriger Betriebslast erfolgt die Zündung zu einem frühen Zeit­ punkt, d. h. bei Kolbenstellungen deutlich vor Errei­ chen des oberen Totpunktes. Somit ist der Abstand zwi­ schen der Mittelelektrode 6 und der Massenelektrode 10 entsprechend groß. Dabei ist der Abstand ab einer be­ stimmten Kolbenstellung von der Kolbenform bzw. der Kolbenmulde 9 und nicht mehr von der Kolbenstellung abhängig. Mit zunehmender Betriebslast der Brennkraft­ maschine erfolgt die gewünschte Zündung entsprechend später und somit mit zunehmender Annäherung des Kol­ bens 2 an das Brennraumdach 4. Dadurch reduziert sich auch der Abstand zwischen der Mittelelektrode 6 und der Massenelektrode 10 entsprechend.

Da die zur Auslösung eines Zündfunkens notwendige Zündspannung mit zunehmendem Brennraumdruck steigt und mit abnehmendem Elektrodenabstand fällt, wird er­ reicht, daß aufgrund der antiproportionalen Wechselbe­ ziehung Brennraumdruck/Elektrodenabstand im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine eine annähernd gleich­ bleibende Zündspannung realisierbar ist. Der jeweils günstigste Zündzeitpunkt ist aufgrund eines Kennfeldes der Brennkraftmaschine im voraus bekannt. Die Steue­ rung erfolgt dabei in üblicher Weise.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ist der Injektor 5 in einem Winkel zu einer Zylinderachse 12 angeordnet. Dabei kann der Injektor 5 derart angeord­ net sein, daß der Kraftstoff in einem stumpfen Winkel zu der Ebene des Kolbenbodens 8 einspritzbar ist. Wie sich in Versuchen in nicht naheliegender Weise heraus­ gestellt hat, läßt sich durch eine derartige Anordnung des Injektors 5, insbesondere auch im Schichtladungs­ betrieb, eine besonders vorteilhafte Verbrennung er­ zeugen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, fährt die Mittelelek­ trode 6 in der Endphase der Kompressionsbewegung des Kolbens 2 bzw. im oberen Totpunkt des Kolbens 2 in die Kolbenmulde 9 ein. Die Mittelelektrode 6 bzw. die Zündkerze 7 kann dabei derart angeordnet werden, daß die Mittelelektrode 6 in die Kolbenmulde 9 einfährt, bevor der Kolben 2 seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Vorgesehen sein kann dabei, daß die Mittelelek­ trode 6, wie in Fig. 2 dargestellt, 30° vor dem oberen Totpunkt in die Kolbenmulde 9 einfährt. In Versuchen hat sich herausgestellt, daß sich im Zusammenhang mit der Kennfeldsteuerung somit eine besonders vorteilhaf­ te Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, resultierend aus dem Abstand zwischen der Wandung 10 und der Mit­ telelektrode 6, erreichen läßt.

Dadurch kann erreicht werden, daß sich die Funken­ strecke mit zunehmend späterem Zündzeitpunkt, d. h. bei Annäherung des Kolbens 2 an den oberen Totpunkt, nur geringfügig gegenüber dem vom Kolben 2 zurückgelegten Weg verkleinert. Innerhalb relativ großer Zündinter­ valle bzw. Drehwinkelbereiche der Kurbelwelle bleibt die Funkenlänge somit relativ konstant, was in be­ stimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine anzu­ streben ist.

Durch ein Swirl-orientiertes bzw. ein Tumble-orien­ tiertes Verfahren zum Einströmen der Verbrennungsluft lassen sich in bekannter Weise zentrale Gemischwolken mit niedriger Luftzahl, d. h. höherer Kraftstoffkonzen­ tration bilden. Durch eine entsprechend starke Wirbel­ bildung läßt sich das zu zündende Gemisch im Zentrum des Brennraums 3 halten und somit in vorteilhafter Weise entzünden. Durch einen entsprechend einwärts gerichteten Wirbel können außerdem Kraftstoffablage­ rungen an der Zylinderwand wirkungsvoll verhindert werden.

Bei einem Swirl-orientierten Verfahren dreht sich die Verbrennungsluft spiralförmig. Eine derartige Drehung kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß die Verbrennungsluft nur durch ein Einlaßventil einströmt.

Bei einem Tumble-orientierten Verfahren erhält die Luft eine reifen- bzw. walzenförmige Bewegung, die beispielsweise durch ein Einströmen der Verbrennungs­ luft durch zwei Einlaßventile erzeugt wird. Eine ent­ sprechende Steuerung der Einlaßventile kann zum Bei­ spiel durch einen nicht dargestellten Klappenflansch erfolgen, der an einem entsprechenden Kanal angeordnet ist und durch den bei einem Swirl-orientierten Verfah­ ren ein Kanal geschlossen wird.

Dadurch, daß die Massenelektrode 10 durch die Wandung 10 der Kolbenmulde 9 gebildet wird, läßt sich der Ab­ stand zwischen der Mittelelektrode 6 und der Massen­ elektrode 10 ab einer gewissen Kolbenposition in ein­ facher Weise, ohne konstruktiven Aufwand konstant hal­ ten. Dabei wird der konstante Abstand durch das Ver­ fahren der Mittelelektrode 6 entlang der Wandung 10 bzw. der Massenelektrode 10 erreicht. Dies gilt insbe­ sondere deshalb, da der Funkenüberschlag immer zwi­ schen dem nächstgelegenen Bereich der Wandung 10 und der Mittelelektrode 6 erfolgt. Je tiefer die Mittele­ lektrode 6 daher in die Kolbenmulde 9 eindringt, desto tiefer ist auch der entsprechende Kontaktpunkt des Funkenüberschlags mit der Wandung 10 der Kolbenmulde 9.

Durch die erfindungsgemäße Zündung kann die Funken­ strecke in vorteilhafter Weise in Bereichen positio­ niert werden, in denen ein aufgrund der Quetschflä­ chenströmung erfolgendes Verwehen des gasförmigen Ge­ misches weniger ausgeprägt ist und in dem ein fetteres Gemisch vorliegt. Dadurch nimmt die Diffusion in Brennraumrandbereichen ab und die Entflammung erfolgt unter günstigen Randbedingungen. Die Folgen sind ein verbessertes Emissionsverhalten, ein höherer Wirkungs­ grad, eine Abnahme der zyklischen Schwankung und eine bessere Laufruhe.

Insbesondere bei niedrigen Lasten im Schichtladungsbe­ trieb wird gegenüber konventionellen Zündkerzen die Gemischausdünnung im Bereich der Funkenstrecke redu­ ziert.

Claims (7)

1. Otto-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein von einem längsbeweglich angeordneten Kolben begrenzter Brennraum gebildet ist, mit einer in den Brennraum ragenden Mittelelektrode einer Zündkerze, einer im Bereich eines Kolbenbodens angeordneten, von dem Kolben in Richtung auf die Mittelelektrode bewegbaren Massenelektrode und mit einem Injektor, durch den Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist, zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches mit durch wenigstens ein Einlaßventil zuführbarer Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Wandung (10) einer Kolbenmulde (9) eine Massenelektrode derart ausgebildet ist, dass ein Vorsprung (11) aus der Wandung (10) in die Kolbenmulde (9) spitzwellenförmig hineinragt.

2. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (5) in einem Winkel zu einer Zylinderlängsachse (12) angeordnet ist.

3. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (5) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff in einem stumpfen Winkel zu der Ebene des Kolbenbodens (8) einspritzbar ist.

4. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (6) derart angeordnet ist, dass sie in die Kolbenmulde (9) einfährt, bevor der Kolben (2) seinen oberen Totpunkt erreicht.

5. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (6) derart angeordnet ist, dass sie bei ca. 30° vor dem oberen Totpunkt in die Kolbenmulde (9) einfährt.

6. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft mittels einem Tumble-Prinzip in den Brennraum (3) einbringbar ist.

7. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft mittels einem Swirl-Prinzip in den Brennraum (3) einbringbar ist.