DE10027452C2 - Verfahren zur Gemischbildung mit Prallunterstützung in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung - Google Patents

Verfahren zur Gemischbildung mit Prallunterstützung in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Brennkraftmaschinen mit Benzin- Direkteinspritzung und eine Brennkraftmaschine mit Benzin- Direkteinspritzung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 4.
In Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung wird im Teillastbereich die Bildung einer Wolke aus einem zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisch angestrebt, welche einen Teil des Brennraums in der Nähe der Zündkerze ausfüllt, während der verbleibende Rest des Brennraums weitestgehend nur mit Luft gefüllt ist. Dadurch wird der spezifische Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich verringert.
Bei den aus dem Stand der Technik (DE 43 24 642 C2, DE 196 45 201 A1 oder EP 0 835 994 A2) bekannten Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff beim Einspritzen kegelförmig in eine Vielzahl kleiner und kleinster Tröpfchen mit niedrigem Impuls zerstäubt; d. h. die Gemischbildung beginnt mit dem Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum. Zur Unterstützung der Gemischbildung werden die Wände des Brennraums oder die Ansaugluft der Brennkraftmaschine herangezogen.
Ein Nachteil der bekannten Brennkraftmaschinen besteht darin, dass der kegelförmig zerstäubte Kraftstoff auf die Zylinderwand bzw. den Kolbenboden auftrifft und sich dort ein großflächiger Wandfilm bildet, der wiederum einen verschleppten Brennverlauf zur Folge hat. Aus dem verschleppten Brennverlauf resultieren Nachteile hinsichtlich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen.
Aus der DE 15 76 005 ist ein luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung bekannt, bei der der Kraftstoff auf dem Kolbenboden filmartig aufgetragen und teilweise durch Abspaltung vom Kraftstoffstrahl sowie durch Aufreißen des auf dem Kolbenboden auftreffenden Strahls durch Reflexion versprüht wird.
Aus der DE 199 20 735 A1 576 005 ist eine weitere Brennkraftmaschine bekannt, bei der Kraftstoff in eine Mulde des Kolbenbodens eingespritzt wird und ein Kraftstoff-Luft- Gemisch einen vertikalen Wirbel bildet. Dieses Gemisch hält sich in der Mulde und wird dort von einer Zündkerze gezündet.
Schließlich ist es aus der DE 35 43 084 A1 ein System zur Steuerung der Kraftstoff-Verdampfungsgeschwindigkeit bei einem Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung bekannt,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Brennkraftmaschinen bereitzustellen und eine Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung mit verbessertem Teillast-Verhalten sowie verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch und verbessertem Emissionsverhalten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung, bei welchem ein nahezu zylindrischer Kraftstoffstrahls in einen Brennraum in Richtung des Kolbenbodens am Ende eines Verdichtungstakts zur Erzielung eines inhomogenen Kraftstoff-Luftgemisches oder während eines Ansaugtakts und während des Verdichtungstakts zur Erzielung eines homogenen Kraftstoff-Luftgemisches eingespritzt wird, der Kraftstoffstrahl am Kolbenboden unter Bildung eines Wandfilms umgelenkt wird, der umgelenkte Kraftstoffstrahl in Kraftstofftröpfchen zerfällt und der Kraftstoff verdampft.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren trifft der Kraftstoff auf einer kleinen Fläche auf den Kolbenboden mit hohem Impuls auf und wird vom Kolbenboden in Richtung Brennraum umgelenkt. Der dabei entstehende Wandfilm ist dünn und hat eine hohe Strömungsgeschwindigkeit. Nach dem Ablösen vom Kolbenboden zerfällt der Wandfilm in Kraftstofftröpfchen unterschiedlicher Größe und Geschwindigkeit und bildet eine Wolke aus Kraftstoff-Luft-Gemisch. Diese Wolke bildet sich im Zentrum des Brennraums und hat keinen Kontakt zur Brennraumwand oder zum Kolbenboden, so dass sich kein Wandfilm aus Kraftstoff bildet und der Brennverlauf nach dem Entzünden der Gemischwolke nicht verschleppt wird.
Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind, dass es mit Wand- und luftgeführten an sich bekannten Brennverfahren kombiniert werden kann, so dass sich eine besonders günstige Gemischbildung einstellt.
Bei einer Variante der Erfindung wird die radiale Ausbreitung des Kraftstoffstrahls beim Umlenken beschränkt, so dass ein Auftreffen der Gemischwolke auf die Zylinderwand verhindert wird. Die radiale Ausbreitung des Kraftstoffstrahls beim Umlenken kann durch eine konkave Vertiefung verhindert werden.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor dem Erreichen der Wand des Zylinderkopfs entzündet wird, so dass ein Wandfilm auf der Wand des Zylinderkopfs zuverlässig vermieden wird.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung mit mindestens einem Zylinder, mit einem Kolben, wobei der Kolben einen Kolbenboden aufweist, und mit einem in einem Zylinderkopf angeordneten Brennraum, wobei in dem Zylinderkopf eine Einspritzdüse mit einem Spritzloch vorhanden ist, wobei ein Kraftstoff in Form eines nahezu zylindrischen Kraftstoffstrahls aus dem Spritzloch austritt, wobei die Längsachse des Spritzlochs im wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinders verläuft, und wobei der Kolbenboden in dem Bereich in dem der Kraftstoffstrahl auf ihn trifft senkrecht zur Längsachse des Zylinders verläuft, so dass der Kraftstoffstrahl mit hoher Geschwindigkeit und kleinem Durchmesser auf den Kolbenboden auftrifft und einen kleinflächigen Wandfilm bildet, der umgelenkt und zerstäubt wird. Beim Zerstäuben stellen sich Kraftstofftröpfchen unterschiedlicher Größe ein, wobei die kleinen Tröpfchen in der Regel eine größere Geschwindigkeit als die etwas größeren Tröpfchen aufweisen. Die kleinen Tröpfchen reduzieren ihre Geschwindigkeit rasch, und es entsteht eine Gemischwolke mit ausreichend großem Volumen in der Mitte des Brennraums. Die Anlagerung des Kraftstoffs an den Wänden und dem Kolbenboden ist gering.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine besteht darin, dass sie auf Fertigungseinrichtungen für Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik hergestellt werden kann, da, abgesehen von der Einspritzdüse, der Düsenbohrung im Zylinderkopf und dem Kolbenboden, keine Änderungen der Brennkraftmaschine erforderlich sind.
In weiterer Ergänzung der Erfindung weist der Kolbenboden des Kolbens eine konzentrisch zur Längsachse des Spritzlochs angeordnete Vertiefung auf, so dass der Kraftstoffstrahl um nahezu 180° umgelenkt wird und die Gemischwolke im Zentrum des Brennraums entsteht.
In weiterer Ergänzung der Erfindung ist die Grundfläche der Vertiefung eben, so dass kleinere Abweichungen der Richtung oder des Orts des Kraftstoffstrahls nur geringe Auswirkungen auf die Gemischbildung haben.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefung und der Kolbenboden durch eine umlaufende Erhöhung voneinander getrennt, so dass der Kraftstoffstrahl ausreichend gut umgelenkt wird und die Schwächung des Kolbenbodens durch die Vertiefung geringer ist. Der Kolbenboden kann im Bereich der Vertiefung aus einem gegenüber dem Rest des Kolbenbodens anderen Material bestehen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit homogener Gemischbildung; und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit geschichteter Gemischbildung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 1, einem Kolben 3 mit Kolbenboden 5 und Vertiefung 7 dargestellt. Der Kolben 3 befindet sich auf einer durch einen Pfeil angedeuteten Abwärtsbewegung und saugt durch ein geöffnetes Einlassventil 9 Ansaugluft aus dem Einlass 11 in den von Kolbenboden 5, Zylinder 1 und Zylinderkopf 13 begrenzten Brennraum 15. Die aus dem Einlass 11 in den Brennraum 15 angesaugte Luft ist durch die Linien 17 angedeutet.
Im Zylinderkopf 13 ist eine Einspritzdüse 19 angeordnet. Aus der Einspritzdüse 19 tritt ein aus Kraftstoff bestehender Strahl 21 aus. Der dünne und nahezu zylindrische Strahl 21 trifft mit hoher Geschwindigkeit auf eine Grundfläche 23 der Vertiefung 7, bildet dort einen Wandfilm, der in der Vertiefung 7 umgelenkt wird und am Rand der Vertiefung 7 in eine Vielzahl von Kraftstofftröpfchen 25 zerstäubt. Die Tröpfchen 25 verdampfen in der Luft im Brennraum 15 und bilden ein homogenes zündfähiges Gemisch.
Durch die Ausbildung einer Vertiefung 7 im Kolbenboden 5 wird der Strahl 21 so umgelenkt, dass er am Austritt aus der Vertiefung 7 einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Dadurch wird das Zerstäuben und die anschließende Bildung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches gefördert.
Die Gemischbildung erfolgt während des Ansaug- und des Verdichtungstakts, so dass sich ein homogenes Gemisch im Brennraum 15 einstellt. Diese Betriebsart wird bei hoher Last und während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eingesetzt.
In Fig. 2 ist eine weitere Betriebsart einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Gleiche Bauteile haben die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1. Bei dieser Brennkraftmaschine erfolgt die Einspritzung während des Verdichtungstakts bei geschlossenem Einlassventil 9 und Auslassventil 27. Wegen der Kürze der Zeit zwischen Einspritzung und Zündung bildet sich die Wolke des zündfähigen Gemisches nur im Zentrum des Brennraums 15 aus und berührt die Wand des Brennraums 15 nicht. Der verbleibende Teil des Brennraums 15 ist mit Luft gefüllt. Die Gemischwolke wird von einer in Fig. 1 nicht dargestellten Zündkerze entzündet, bevor sie die Wand des Zylinders 1 oder des Zylinderkopfs 13 erreicht. Bei dieser Betriebsart findet somit eine geschichtete Verbrennung statt. Sie ist besonders für den Teillastbetrieb geeignet.
Beiden Betriebsarten gemeinsam ist, dass kein nennenswerter Kraftstofffilm in der Vertiefung 7 verbleibt oder sich auf dem Boden des Kolbens 3 niederschlägt. Dies ist teilweise auf die Geometrie der Vertiefung, die Geschwindigkeit, mit der der Kraftstoffstrahl 21 auf dem Kolbenboden 5 bzw. der Vertiefung 7 auftrifft, und die Temperatur des Kolbens 3 zurückzuführen.
Alle in der Zeichnung, der Beschreibung und den nachfolgenden Patentansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Einspritzen eines nahezu zylindrischen Kraftstoffstrahls (21) in einen Brennraum (15) in Richtung eines Kolbenbodens (5) am Ende eines Verdichtungstakts zur Erzielung eines inhomogenen Kraftstoff-Luftgemisches oder während eines Ansaugtakts und während des Verdichtungstakts zur Erzielung eines homogenen Kraftstoff-Luftgemisches,
  • - Umlenken des Kraftstoffstrahls (21) am Kolbenboden (5, 23) unter Bildung eines Wandfilms,
  • - Zerfallen des umgelenkten Kraftstoffstrahls (21) in Kraftstofftröpfchen (25) und
  • - Verdampfen des Kraftstoffs.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Ausbreitung des Kraftstoffstrahls (21) beim Umlenken beschränkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor dem Erreichen der Wand eines Zylinderkopfs (13) entzündet wird.
4. Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung mit mindestens einem Zylinder (1), mit einem Kolben (3), wobei der Kolben (3) einen Kolbenboden (5) aufweist, und mit einem in einem Zylinderkopf (13) angeordneten Brennraum (15), wobei in dem Zylinderkopf (13) eine Einspritzdüse (19) mit einem Spritzloch vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoff in Form eines nahezu zylindrischen Kraftstoffstrahls (21) aus dem Spritzloch austritt, dass die Längsachse des Spritzlochs im wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinders (1) verläuft, und dass der Kolbenboden (5) in dem Bereich in dem der Kraftstoffstrahl (21) auf ihn trifft senkrecht zur Längsachse des Zylinders (1) verläuft.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (5) des Kolbens (3) eine konzentrisch zur Längsachse des Spritzlochs angeordnete Vertiefung (7) aufweist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (23) der Vertiefung (7) eben ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (7) und der Kolbenboden (5) durch eine umlaufende Erhöhung voneinander getrennt sind.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (5) im Bereich der Vertiefung (7) aus einem gegenüber dem Rest des Kolbenbodens (5) anderen Material besteht.
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