DE102004004391A1

DE102004004391A1 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004004391A1
Application number: DE102004004391A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Gildein
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Also published as: WO2005073534A1

Abstract

Eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine (1) weist wenigstens einen Zylinder (4), welcher einen Brennraum (5) aufweist und in welchem ein Kolben (6) eine Oszillationsbewegung ausführt, und eine Einspritzdüse (7) zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (5) auf. Der Kolben (6) weist eine Kolbenmulde (10) auf, welche in ihrem zentralen Bereich eine sich in Richtung eines Zylinderkopfes (3) erstreckende Erhebung (11) und eine sich daran anschließende, sich von dem Zylinderkopf (3) wegerstreckende Fläche aufweist. Der Winkel (α) der von der Einspritzdüse (7) eingespritzten Kraftstoffstrahlen (9) beträgt zwischen 70-110°. Die sich von dem Zylinderkopf (3) wegerstreckende Fläche (12) der Kolbenmulde (10) weist einen an den Winkel (α) des Kraftstoffstrahls (9) angepassten Winkel (β) auf, und die Einspritzdüse (7) ist in einer sich von dem Kolben (6) wegerstreckenden Mulde (14) des Zylinderkopfes (3) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, welcher einen Brennraum aufweist und in welchem ein Kolben eine Oszillationsbewegung ausführt, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 199 35 954 A1 bekannt. Hierbei weist die Kolbenmulde eine besondere Form auf, um die durch einen Drallkanal initiierte Rotation der Luft in der Brennraummulde zu verstärken. Der Kraftstoffstrahl wird mit einem verhältnismäßig großen Winkel eingespritzt, wodurch diese Brennkraftmaschine nicht für homogene Brennverfahren verwendbar ist, da dort ein möglichst steiler Spritzwinkel verwendet werden muss, um im Teillastbetrieb bei frühem Spritzbeginn die Zylinderwandung nicht mit Kraftstoff zu benetzen. Bei der Form der Kolbenmulde gemäß der DE 199 35 954 A1 ist ein solcher steiler Spritzwinkel jedoch nicht realisierbar, da der eingespritzte Kraftstoffstrahl ansonsten zu tief in die Kolbenmulde eindringt. Ein weiteres Problem stellt der zur Erzeugung des Dralls erforderliche Muldendom dar, der den notwendigen steilen Spritzwinkel ebenfalls extrem behindern würde.

In der DE 102 59 224 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit Einspritzung beschrieben, bei dem der Zylinderkopf mit einer Aussparung versehen ist, die in seiner dem Kolben gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist und in deren Boden die Ein spritzdüse mündet. Hierdurch wird der Abstand zwischen dem freien Ende der Einspritzdüse und der Wand der Verbrennungskammer und insbesondere der dem Kolben gegenüberliegenden Fläche vergrößert, wodurch eine Homogenisierung der Einspritzung erreicht werden soll. Problematisch bei dieser Lösung ist jedoch, dass im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine nicht der gesamte sich in der Kolbenmulde befindliche Sauerstoff zur Verbrennung des Kraftstoffs ausgenutzt werden kann, was zu Russbildung führen kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der ein homogenes Brennverfahren durchgeführt werden kann und bei der sich insbesondere im Vollastbetrieb eine sehr gute Ausnutzung des Sauerstoffs in der Kolbenmulde ergibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Winkel des von der Einspritzdüse eingespritzten Kraftstoffstrahls in einem Bereich zwischen 70 bis 110° wird verhindert, dass im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bei frühem Spritzbeginn der Kraftstoffstrahl auf die Zylinderwandung trifft. In Verbindung mit dem an den Kraftstoffstrahl angepassten Winkel der Fläche der Kolbenmulde ergibt sich auch während des Vollastbetriebs der Brennkraftmaschine eine optimale Verteilung des Kraftstoffs innerhalb der Kolbenmulde, so dass der darin sich befindliche Sauerstoff optimal ausgenutzt wird, wodurch einer Russbildung vorgebeugt wird.

Des weiteren ist vorgesehen, dass die Einspritzdüse in einer sieh von dem Kolben weg erstreckenden Mulde des Zylinderkopfes angeordnet ist, wodurch trotz des relativ steilen Spritzwinkels der Auftreffpunkt des eingespritzten Kraftstoffstrahls sich etwa an der Kante der Kolbenmulde befindet. Dadurch wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch bei der Abwärtsbewe gung des Kolbens zumindest teilweise in den Kolbenspalt gezogen, wodurch eine optimale Sauerstoffausnutzung gegeben ist.

Insgesamt ergibt sich somit eine Brennkraftmaschine, die sowohl im Teillast- als auch im Vollastbereich optimal betrieben werden kann, da gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorteile eines homogenen Brennverfahrens, nämlich die sehr geringe NO_x-Bildung, ohne den Nachteil hoher Russwerte in der Volllast genutzt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.

Die einzige Figur zeigt eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Kolbenmulde.
Eine sehr schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Kurbelgehäuse 2 und einen Zylinderkopf 3 auf. Innerhalb des Kurbelgehäuses 2 befindet sich wenigstens ein Zylinder 4, welcher mit dem Zylinderkopf 3 einen Brennraum 5 bildet. In dem Zylinder 4 führt ein Kolben 6 in an sich bekannter Weise eine Oszillationsbewegung zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT aus, in welchem der Kolben 6 im vorliegenden Fall dargestellt ist. In diesem Zustand weist der Brennraum 5 sein geringstes Volumen auf.
In dem Zylinderkopf 3 ist eine Einspritzdüse 7 angeordnet, welche mehrere um den Umfang der Einspritzdüse 7 verteilt angeordnete Einspritzöffnungen 8 aufweist, aus denen mehrere Kraftstoffstrahlen 9 austreten. Mittels der Einspritzdüse 7 wird Kraftstoff in den Brennraum 5 eingespritzt, wobei der Öffnungswinkel α der Kraftstoffstrahlen 9 zwischen 70 bis 110°, vorzugsweise zwischen 80 bis 100°, beträgt. Mit dem Öffnungswinkel α wird derjenige Winkel bezeichnet, der in der dargestellten Ebene zwischen den aus den einzelnen Einspritzöffnungen 8 austretenden Kraftstoffstrahlen 9 liegt. Da der Kraftstoff direkt in den Brennraum 5 eingespritzt wird, handelt es sich um eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine 1, vorzugsweise um eine Dieselbrennkraftmaschine.
An seiner dem Zylinderkopf 3 zugewandten Seite weist der Kolben 6 eine Kolbenmulde 10 auf, welche in ihrem zentralen Bereich eine sich in Richtung des Zylinderkopfes 3 erstreckende Erhebung 11 und eine sich daran anschließende, sich von dem Zylinderkopf 3 weg erstreckende Fläche 12 aufweist. Um eine möglichst gute Vermischung des Kraftstoffstrahls 9 mit dem sich in der Kolbenmulde 10 befindlichen Sauerstoff zu erreichen, weist die Fläche 12 einen Winkel β auf, der an den Winkel α des Kraftstoffstrahls 9 angepasst ist. Insbesondere ist die sich von dem Zylinderkopf 3 weg erstreckende Fläche 12 der Kolbenmulde 10 derart an den Winkel α des Kraftstoffstrahls 9 angepasst, dass der Kraftstoffstrahl 9 im wesentlichen parallel zu der Fläche 12 der Kolbenmulde 10 verläuft.
An die Fläche 12 der Kolbenmulde 10 schließt sich eine Hinterschneidung 13 auf, die zusätzlich für eine gute Verteilung des Kraftstoffstrahls innerhalb der Kolbenmulde 10 sorgt.
Im Gegensatz zu bekannten Lösungen ist die Einspritzdüse 7 bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 1 in einer sich von dem Kolben 6 weg erstreckenden Mulde 14 des Zylinderkopfes 3 angeordnet, was dazu führt, dass sich der Auftreffpunkt des Kraftstoffstrahls 9 trotz des relativ steilen Einspritzwinkels α von 70 bis 110° zwar an der Kante der Kolbenmulde 10 befindet, so dass bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 6 der so genannte Reverse-Squish-Effekt wirken kann, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Kolbenspalt zieht. Des weiteren bleibt auf diese Weise die gewünschte weite Distanz zwischen der Einspritzdüse 7 und der Wandung des Zylinders 4 bei der Teillast erhalten. Aufgrund des zusätzlichen Volumens des Brennraums 5 durch die Mulde 14 in dem Zylinderkopf 3 wird das Volumen der Kolbenmulde 10 verringert, um ein gleiches Verdichtungsverhältnis zu gewährleisten.

Claims

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder, welcher einen Brennraum aufweist und in welchem ein Kolben eine Oszillationsbewegung ausführt, und mit einer Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum, wobei der Kolben eine Kolbenmulde aufweist, welche in ihrem zentralen Bereich eine sich in Richtung eines Zylinderkopfes erstreckende Erhebung und eine sich daran anschließende, sich von dem Zylinderkopf weg erstreckende Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) der von der Einspritzdüse (7) eingespritzten Kraftstoffstrahlen (9) zwischen 70–110° beträgt, wobei die sich von dem Zylinderkopf (3) weg erstreckende Fläche (12) der Kolbenmulde (10) einen an den Winkel (α) des Kraftstoffstrahls (9) angepassten Winkel (β) aufweist, und dass die Einspritzdüse (7) in einer sich von dem Kolben (6) weg erstreckenden Mulde (14) des Zylinderkopfes (3) angeordnet ist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (10) eine sich an die sich von dem Zylinderkopf (3) weg erstreckende Fläche (12) anschließende Hinterschneidung (13) aufweist.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) der sich von dem Zylinderkopf (3) weg erstreckenden Fläche (14) der Kolbenmulde (10) derart an den Winkel (α) des Kraftstoffstrahls (9) angepasst ist, dass der Kraftstoffstrahl (9) im wesentlichen parallel zu der Fläche (14) der Kolbenmulde (10) verläuft.
Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) des von der Einspritzdüse (7) eingespritzten Kraftstoffstrahls (9) zwischen 80–100° beträgt.