DE10139418B4

DE10139418B4 - Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung

Info

Publication number: DE10139418B4
Application number: DE10139418A
Authority: DE
Inventors: Dr. Piock Walter
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: AT5305U1; US6578547B2; DE10139418A1; US20020043241A1

Abstract

Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in einen Brennraum (15), welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung (6) und einer Zündeinrichtung (5) pro Zylinder (2), wobei 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 bei einer Projektion auf eine Strahlachse (6a) der Abstand (Z) zwischen der Mündung (6b) der Einspritzeinrichtung (6) und dem Zündort (5b) 0,1 bis 0,24 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt, wobei im Kolben (3) eine flache und ausgerundete Kolbenmulde (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmuldenmitte (13) – im Grundriss betrachtet – ausgehend von der Zylinderachse (1a) in Richtung der Strahlachse (6a) von der Einspritzeinrichtung (6) weg parallel zu einer Zylinderkopfdichtebene (7) verschoben ist, wobei die Verschiebung (X) zwischen 0,02 bis 0,08 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt und dass die im Wesentlichen kreisförmige Kolbenmulde (12) eine Kolbentiefe (T)...

Description

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in einen Brennraum, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung und einer Zündeinrichtung pro Zylinder, wobei die Zündeinrichtung zentral, vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse und die Einspritzeinrichtung seitlich versetzt in unmittelbarer Nähe des Zündortes angeordnet ist, wobei bei einer Projektion auf eine Strahlachse der Abstand zwischen der Mündung der Einspritzeinrichtung und dem Zündort 0,1 bis 0,24 mal dem Kolbendurchmesser beträgt, wobei im Kolben eine flache und ausgerundete Kolbenmulde ausgebildet ist.
Bei Otto-Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung wird zwischen wandgeführten und strahlgeführten Brennverfahren unterschieden. Bei wandgeführten Brennverfahren wird der Einspritzstrahl mehr oder weniger direkt auf die Brennraumwand gerichtet. Dadurch steht eine erhöhte Aufbereitungszeit für die Gemischbildung zur Verfügung. Durch die relativ großen Freiheiten in der Anordnung der Einspritzeinrichtung – meistens nahe der Zylinderwand – können die Gaswechselventile hinsichtlich Lage und Anordnung optimal ausgelegt werden. Da Einspritzstrahl und Zündeinrichtung relativ weit entfernt voneinander angeordnet sind, kommt es zu keiner direkten Zündkerzenbenetzung. Das System ist gegenüber Veränderungen in der Form des Einspritzstrahles nur wenig empfindlich. Nachteilig ist allerdings, dass wandgeführte Brennverfahren begrenzte Schichtungsfähigkeit aufweisen. Bei wandgeführten Brennverfahren ergibt sich eine gezielte Kolbenwandbenetzung. In Folge des längeren Gemischtransportweges wirken sich die Grundströmung und die Fluktuationen stärker auf die Gemischschichtung 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 weitgehende Zerstäubung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung angestrebt. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brennverfahren 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 Anordnung der Einspritzeinrichtung und der Zündkerze resultieren allerdings in einer reduzierten Größe der Gaswechselventile. Weiters nachteilig ist, dass es oftmals 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 Einspritzstrahles auf.
Bei bekannten strahlgeführten Brennverfahren ist üblicherweise die Einspritzeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet. Die Zündkerze dagegen wird – je nach konstruktiven Gegebenheiten – seitlich versetzt dazu in der Brennraumdecke positioniert. Die Anordnung der Mündung der Einspritzeinrichtung 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, wodurch 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 außerhalb des Zentrums positionierten Zündkerze vorgesehen ist. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt nicht direkt in den Brennraum, sondern in eine Einspritzkammer der Einspritzeinrichtung, welche von einem Hubventil vom Brennraum getrennt ist.
Die DE 197 16 642 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit zentraler Zündkerze und seitlicher Einspritzeinrichtung. Der Kolben weist eine zur Mündung der Einspritzeinrichtung hin versetzte Kolbenmulde auf. Damit kann allerdings ein Verkoken der Mündung der Einspritzeinrichtung nicht wirksam verhindert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine mit strahlgeführtem Brennverfahren die Schichtungsfähigkeit und die Standzeit der Einspritzeinrichtung zu erhöhen.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass die Kolbenmuldenmitte – im Grundriss betrachtet – ausgehend von der Zylinderachse in Richtung der Strahlachse von der Einspritzeinrichtung weg parallel zu einer Zylinderkopfdichtebene (7) verschoben ist, wobei die Verschiebung zwischen 0,02 bis 0,08 mal dem Kolbendurchmesser beträgt und dass die im Wesentlichen kreisförmige Kolbenmulde eine Kolbentiefe zwischen 0,04 und 0,1 mal dem Kolbendurchmesser aufweist.
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 außerordentlich guter Zündfähigkeit und damit ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch realisiert werden.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Neigungswinkel der Strahlachse der Einspritzeinrichtung zur Zylinderkopfdichtebene etwa zwischen 40° und 80° beträgt, und dass der Winkel zwischen der Strahlachse der Einspritzeinrichtung und der Achse der Zündeinrichtung etwa zwischen 10° und 65° beträgt, wobei vorzugsweise die Achse der Zündeinrichtung parallel zur Zylinderachse angeordnet ist. Durch diese konstruktive Anordnung lässt sich eine sehr hohe Schichtungsstabilität erreichen. Gleichzeitig wird die Benetzung der Zündkerze auf ein Mindestmaß beschränkt. Der mittlere Kolbenmuldendurchmesser sollte dabei etwa zwischen 0,35 bis 0,5 mal dem Kolbendurchmesser liegen.
Zur Erreichung einer besonders hohen Abmagerungsfähigkeit ist es von Vorteil, wenn die durch den Zylinderkopf gebildete Brennraumdecke und/oder der Kolbenboden so geformt sind, dass während des Kompressionshubes des Kolbens eine gezielte Strömung, vorzugsweise eine Walzenströmung, von der Einspritzeinrichtung zur Zündeinrichtung im oberen Totpunkt initiiert wird. Durch die gezielte 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
1 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Schnitt in einer die Zylinderachse beinhaltenden Motorquerebene,
2 die Brennkraftmaschine in einer Ventilachsenebene,
3 einen Kolben der Brennkraftmaschine im Schnitt,
4 diesen Kolben im Grundriss,
5 die Brennkraftmaschine in einem Schnitt während eines Kompressionstaktes und
6 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer weiteren Kolbenform im Schnitt im Bereich des oberen Kolbentotpunktes.
Die Brennkraftmaschine weist ein Zylindergehäuse 1 mit zumindest einem in einem 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 angeordnet. Die Auslassseite ist mit A bezeichnet.
Wie aus 1 ersichtlich ist, beträgt der Abstand Z zwischen der Mündung 6b der Einspritzeinrichtung 6 und dem Zündort 5b etwa 0,1 bis 0,24 mal dem Kolbendurchmesser D.
2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf 4 in einer durch die Ventilachsen 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 3 und 4 ist schematisch die Form der Oberfläche des Kolbens 3 dargestellt. Der Kolbenboden 3a des Kolbens 3 weist eine flache ausgerundete Kolbenmulde 12 mit einer im Wesentlichen kreisrunden Form auf. Die Kolbentiefe T beträgt etwa zwischen 0,04 bis 0,1 mal dem Kolbendurchmesser D. Der mittlere Muldendurchmesser M beträgt etwa zwischen 0,35 bis 0,5 mal dem mittleren Kolbendurchmesser D. Die Kolbenmulde 12 ist – im in 4 dargestellten Grundriss gesehen – geringfügig in Richtung der Starahlachse 6a bezüglich der Zylinderachse 1a verschoben, wobei die Verschiebung X, also der Abstand zwischen der Kolbenmuldenmitte 13 und der Kolbenachse 3b bzw. der Zylinderachse 1a etwa zwischen 0,02 bis 0,08 mal 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 tumble-erzeugend ausgebildet, wodurch während des Kompressionstaktes des Kolbens 3 eine Walzenströmung gemäß dem in 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 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 spezifische 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

Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in einen Brennraum (15), welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung (6) und einer Zündeinrichtung (5) pro Zylinder (2), wobei 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 bei einer Projektion auf eine Strahlachse (6a) der Abstand (Z) zwischen der Mündung (6b) der Einspritzeinrichtung (6) und dem Zündort (5b) 0,1 bis 0,24 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt, wobei im Kolben (3) eine flache und ausgerundete Kolbenmulde (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmuldenmitte (13) – im Grundriss betrachtet – ausgehend von der Zylinderachse (1a) in Richtung der Strahlachse (6a) von der Einspritzeinrichtung (6) weg parallel zu einer Zylinderkopfdichtebene (7) verschoben ist, wobei die Verschiebung (X) zwischen 0,02 bis 0,08 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt und dass die im Wesentlichen kreisförmige Kolbenmulde (12) eine Kolbentiefe (T) zwischen 0,04 und 0,1 mal dem Kolbendurchmesser (D) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (γ) der Strahlachse (6a) der Einspritzeinrichtung (6) zur Zylinderkopfdichtebene (7) etwa zwischen 40° und 80° beträgt.
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.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5a) der Zündeinrichtung (5) parallel zur Zylinderachse (1a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldendurchmesser (M) der Kolbenmulde (12) etwa zwischen 0,35 bis 0,5 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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 Einspritzeinrichtung (6) zur Zündeinrichtung (5) im oberen Totpunkt initiiert wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (3a) auf der Seite der Einspritzeinrichtung (6) eine Quetschfläche (17) aufweist.