DE10139418A1 - Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum (15), welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung (6) und einer Zündeinrichtung (5) pro Zylinder (2). Um die Schichtungsfähigkeit und die Standzeit der Einspritzeinrichtung zu erhöhen ist vorgesehen, dass die Zündeinrichtung (5) zentral, vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse (1a) und die Einspritzeinrichtung (6) seitlich versetzt in unmittelbarer Nähe des Zündortes (5b), angeordnet ist, wobei der Abstand (Z) zwischen der Mündung (6b) der Einspritzeinrichtung (6) und dem Zündort (5b) 0,1 bis 0,24 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung und einer Zündeinrichtung pro Zylinder.

Bei Otto-Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung wird zwischen wandge­ führten und strahlgeführten Brennverfahren unterschieden. Bei wandgeführten Brennverfahren wird der Einspritzstrahl mehr oder weniger direkt auf die Brenn­ raumwand gerichtet. Dadurch steht eine erhöhte Aufbereitungszeit für die Ge­ mischbildung zur Verfügung. Durch die relativ großen Freiheiten in der Anord­ nung der Einspritzeinrichtung - meistens nahe der Zylinderwand - können die Gaswechselventile hinsichtlich Lage und Anordnung optimal ausgelegt werden. Da Einspritzstrahl und Zündeinrichtung relativ weit entfernt voneinander ange­ ordnet sind, kommt es zu keiner direkten Zündkerzenbenetzung. Das System ist gegenüber Veränderungen in der Form des Einspritzstrahles nur wenig empfind­ lich. Nachteilig ist allerdings, dass wandgeführte Brennverfahren begrenzte Schichtungsfähigkeit aufweisen. Bei wandgeführten Brennverfahren ergibt sich eine gezielte Kolbenwandbenetzung. In Folge des längeren Gemischtransportwe­ ges wirken sich die Grundströmung und die Fluktuationen stärker auf die Ge­ mischschichtung und somit auf die Verbrennung aus.

Bei strahlgeführten Brennverfahren dagegen wird der Einspritzstrahl nicht auf die Brennraumwand oder den Kolbenboden gerichtet, sondern es wird eine weitge­ hende Zerstäubung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung ange­ strebt. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brenn­ verfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungsfähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoffverbrauch niederschlägt. Zudem kann eine hohe Schichtungsstabilität erreicht werden. Die zentrale An­ ordnung der Einspritzeinrichtung und der Zündkerze resultieren allerdings in ei­ ner reduzierten Größe der Gaswechselventile. Weiters nachteilig ist, dass es oft­ mals zu einer Benetzung der Zündeinrichtung kommt. Dies kann sich ungünstig auf die Verbrennungsstabilität auswirken. Das Brennverfahren weist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Qualität und Form des Einspritz­ strahles auf.

Bei bekannten strahlgeführten Brennverfahren ist üblicherweise die Einspritzein­ richtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet. Die Zündkerze dage­ gen wird - je nach konstruktiven Gegebenheiten - seitlich versetzt dazu in der Brennraumdecke positioniert. Die Anordnung der Mündung der Einspritzeinrich­ tung im Bereich der Zylinderachse hat allerdings den Nachteil, dass in diesem Bereich sich nur sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten ausbilden, was dazu führt, dass Kraftstoffreste an der Mündung nicht weggeblasen werden. Dadurch kann es zu einem Verkoken der Mündung der Einspritzeinrichtung kommen, wo­ durch diese eine relative kurze Standzeit aufweisen.

Die GB 2 276 206 A zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer zentral im Bereich der Zylinderachse angeordneten Einspritzeinrichtung, welche nahe einer außer­ halb des Zentrums positionierten Zündkerze vorgesehen ist: Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt nicht direkt in den Brennraum, sondern in eine Einspritzkam­ mer der Einspritzeinrichtung, welche von einem Hubventil vom Brennraum ge­ trennt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftma­ schine mit strahlgeführtem Brennverfahren die Schichtungsfähigkeit und die Standzeit der Einspritzeinrichtung zu erhöhen.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass die Zündeinrichtung zentral, vor­ zugsweise im Bereich der Zylinderachse und die Einspritzeinrichtung seitlich ver­ setzt in unmittelbarer Nähe des Zündortes angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen der Mündung der Einspritzeinrichtung und dem Zündort 0,1 bis 0,24mal dem Kolbendurchmesser beträgt.

Durch die dezentrale Anordnung der Einspritzeinrichtung liegt die Mündung der Einspritzeinrichtung in einem Bereich mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten, wodurch Kraftstoffreste wirksam weggeblasen werden. Durch die unmittelbare Nähe zur Zündeinrichtung können extreme Ladungsschichtungen bei außeror­ dentlich guter Zündfähigkeit und damit ein besonders geringer Kraftstoff­ verbrauch realisiert werden.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Neigungswinkel der Strahlachse der Einspritzeinrichtung zur Zylinderkopfdichtebene etwa zwischen 40° und 80° be­ trägt, und dass der Winkel zwischen der Strahlachse der Einspritzeinrichtung und der Achse der Zündeinrichtung etwa zwischen 10° und 65° beträgt, wobei vor­ zugsweise die Achse der Zündeinrichtung parallel zur Zylinderachse angeordnet ist. Durch diese konstruktive Anordnung lässt sich eine sehr hohe Schichtungs­ stabilität erreichen. Gleichzeitig wird die Benetzung der Zündkerze auf ein Min­ destmaß beschränkt.

Zur Ausbildung von extremen Ladungsschichten mit hoher Stabilität ist es be­ sonders günstig, wenn im Kolben eine flache, ausgerundete und im wesentlichen kreisförmige Kolbenmulde ausgebildet ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Kolbenmuldenmitte - im Grundriss betrachtet - bezüglich der Zylinder­ achse in Richtung der Strahlachse der Einspritzeinrichtung verschoben ist, wobei die Verschiebung besonders vorzugsweise zwischen 0,02 bis 0,08mal dem Kol­ bendurchmesser beträgt. Die für eine magere Verbrennung günstigste Kolben­ tiefe ergibt sich zwischen etwa 0,04 bis 0,1mal dem Kolbendurchmesser. Der mittlere Kolbenmuldendurchmesser sollte dabei etwa zwischen 0,35 bis 0,5mal dem Kolbendurchmesser liegen.

Zur Erreichung einer besonders hohen Abmagerungsfähigkeit ist es von Vorteil, wenn die durch den Zylinderkopf gebildete Brennraumdecke und/oder der Kol­ benboden so geformt sind, dass während des Kompressionshubes des Kolbens eine gezielte Strömung, vorzugsweise eine Walzenströmung, von der Einspritz­ einrichtung zur Zündeinrichtung im oberen Totpunkt initiiert wird. Durch die ge­ zielte Strömung zur Zündeinrichtung wird zusätzliche Luft zum Zündort geführt, wodurch ein Verkoken der Zündeinrichtung vermieden werden kann. Die gezielte Strömung zur Zündeinrichtung wird begünstigt, wenn der Kolbenboden auf der Seite der Einspritzeinrichtung eine Quetschfläche aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Schnitt in einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene,

Fig. 2 die Brennkraftmaschine in einer Ventilachsenebene,

Fig. 3 einen Kolben der Brennkraftmaschine im Schnitt,

Fig. 4 diesen Kolben im Grundriss,

Fig. 5 die Brennkraftmaschine in einem Schnitt während eines Kompres­ sionstaktes und

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer weiteren Kol­ benform im Schnitt im Bereich des oberen Kolbentotpunktes.

Die Brennkraftmaschine weist ein Zylindergehäuse 1 mit zumindest einem in ei­ nem Zylinder 2 hin- und hergehenden Kolben 3 auf. Die Zylinderachse ist mit 1a bezeichnet. In einem am Zylindergehäuse 1 befestigten Zylinderkopf 4 ist eine Zündeinrichtung 5 und eine Einspritzeinrichtung 6 angeordnet. Zwischen der Achse 5a der Zündeinrichtung 5 und der Strahlachse 6a der Einspritzeinrichtung 6 wird ein Winkel α von etwa 10° bis 65° aufgespannt. Die Strahlachse 6a der Einspritzeinrichtung 6 schließt mit der Zylinderkopfdichtebene 7 einen Winkel γ von etwa 40° bis 80° ein.

Die Einspritzeinrichtung 6 ist auf der Einlassseite E im Zylinderkopf 4 angeord­ net. Die Auslassseite ist mit A bezeichnet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt der Abstand Z zwischen der Mündung 6b der Einspritzeinrichtung 6 und dem Zündort 5b etwa 0,1 bis 0,24mal dem Kol­ bendurchmesser D.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf 4 in einer durch die Ventilach­ sen 8a und 9a des Einlassventiles 8 und des Auslassventiles 9 aufgespannten Ventilachsenebene. Mit Bezugszeichen 10 ist ein Einlasskanal, mit Bezugszeichen 11 ein Auslasskanal bezeichnet.

In Fig. 3 und 4 ist schematisch die Form der Oberfläche des Kolbens 3 darge­ stellt. Der Kolbenboden 3a des Kolbens 3 weist eine flache ausgerundete Kol­ benmulde 12 mit einer im wesentlichen kreisrunden Form auf. Die Kolbentiefe T beträgt etwa zwischen 0,04 bis 0,1mal dem Kolbendurchmesser D. Der mittlere Muldendurchmesser M beträgt etwa zwischen 0,35 bis 0,5mal dem mittleren Kolbendurchmesser D. Die Kolbenmulde 12 ist - im in Fig. 4 dargestellten Grundriss gesehen - geringfügig in Richtung der Strahlachse 6a bezüglich der Zylinderachse 1a verschoben, wobei die Verschiebung X, also der Abstand zwi­ schen der Kolbenmuldenmitte 13 und der Kolbenachse 3b bzw. der Zylinderachse 1a etwa zwischen 0,02 bis 0,08mal dem Kolbendurchmesser D beträgt.

Um eine gezielte Strömung von der Mündung 6b der Einspritzeinrichtung 6 zum Zündort 5b zu erreichen, sind die Einlasskanäle 10, sowie die Brennraumdecke 4a und der Kolbenboden 3a tumbleg-erzeugend ausgebildet, wodurch während des Kompressionstaktes des Kolbens 3 eine Walzenströmung gemäß dem in Fig. 5 angedeuteten Pfeilen 14 im Brennraum 15 entsteht. Der Strahlkegel des über die Einspritzeinrichtung 6 eingespritzten Kraftstoffes ist mit 16 angedeutet.

Um die gezielte Strömung von der Mündung 6b zum Zündort 5b darüber hinaus zu unterstützen, kann der Kolbenboden 3a auf der Seite der Einspritzeinrichtung 6 eine Quetschfläche 17 aufweisen, wodurch im in Fig. 6 dargestellten oberen Totpunkt des Kolbens 3 eine zum Zündort 5b gerichtete Quetschströmung 18 entsteht.

Das mit der beschriebenen Brennkraftmaschine durchgeführte strahlgeführte Brennverfahren hat den Vorteil, dass extreme Schichtungsfähigkeit bei hoher Schichtungsstabilität erzielt werden kann. Dies ermöglicht sehr geringe spezifi­ sche Kraftstoffverbräuche. Durch die seitlich versetzte Einspritzeinrichtung 6 wird ein Verkoken der Mündung 6b infolge höherer Strömungsgeschwindigkeiten im Mündungsbereich wirksam vermieden. Die zentral angeordnete Zündeinrichtung 5 ermöglicht eine gute Flammenausbreitung und somit eine gleichmäßige Verbrennung.

Claims (9)

1. Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in des Brennraum (15), welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung (6) und einer Zündeinrichtung (5) pro Zylinder (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (5) zentral, vor­ zugsweise im Bereich der Zylinderachse (1a) und die Einspritzeinrichtung (6) seitlich versetzt in unmittelbarer Nähe des Zündortes (5b) angeordnet ist, wobei der Abstand (Z) zwischen der Mündung (6b) der Einspritzeinrich­ tung (6) und dem Zündort (5b) 0,1 bis 0,24mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (γ) der Strahlachse (6a) der Einspritzeinrichtung (6) zur Zy­ linderkopfdichtebene (7) etwa zwischen 40° und 80° beträgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der Strahlachse (6a) der Einspritzeinrichtung (6) und der Achse (5a) der Zündeinrichtung (5) etwa zwischen 10° und 65° beträgt, wobei vorzugsweise die Achse (5a) der Zündeinrichtung (5) parallel zur Zylinderachse (1a) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Kolben (3) eine flache, ausgerundete und im wesentli­ chen kreisförmige Kolbenmulde (12) ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmuldenmitte (13) - im Grundriss betrachtet - bezüglich der Zylin­ derachse (1a) in Richtung der Strahlachse (6a) der Einspritzeinrichtung (6) verschoben ist, wobei die Verschiebung (X) besonders vorzugsweise zwi­ schen 0,02 bis 0,08mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (12) eine Kolbentiefe (T) zwischen etwa 0,04 und 0,1mal dem Kolbendurchmesser (D) aufweist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Muldendurchmesser (M) der Kolbenmulde (12) etwa zwischen 0,35 bis 0,5mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die durch den Zylinderkopf (4) gebildete Brennraumdecke (4a) und/oder der Kolbenboden (3a) so geformt sind, dass während des Kompressionshubes des Kolbens (3) eine gezielte Strömung von der Ein­ spritzeinrichtung (6) zur Zündeinrichtung (5) im oberen Totpunkt initiiert wird.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (3a) auf der Seite der Einspritzeinrichtung (6) eine Quetsch­ fläche (17) aufweist.