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Die
Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer
Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Es
sind aufgeladene Brennkraftmaschinen bekannt, im Besonderen Ottomotoren,
die mit einer Einspritzvorrichtung in Form einer Kanaleinspritzvorrichtung
ausgestattet sind. Dabei ist ein Einspritzventil in einem Einlasskanal
der Brennkraftmaschine vorgesehen. Es hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, eine mechanische Aufladung vorzusehen, um in Verbindung
mit der Kanaleinspritzvorrichtung eine Verbesserung des motorischen
Verhaltens, insbesondere bei Laständerungen, zu erreichen. Die
mechanische Aufladung ist in Form einer nach dem Verdrängerprinzip
arbeitenden Maschine ausgeführt.
Die Verdrängermaschine
ist in einem Ansaugtrakt angeordnet und wird von der Brennkraftmaschine
mechanisch angetrieben. Der Ansaugtrakt umfasst unter anderem jeweils
einen Einlasskanal für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine. Dem Einlasskanal ist eine
Einlassöffnung
zugeordnet, in dem ein Einlassventil vorgesehen ist. Das Einspritzventil
spritzt den Kraftstoff in Richtung des Einlassventils ein.
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In
der gattungsbildenden Druckschrift MTZ, Jahrgang 61 (2000) 7/8,
Seiten 458 bis 464, "Technischer
Fortschritt durch Evolution" ist
eine Brennkraftmaschine beschrieben, die für jeden Zylinder einen Einlasskanal
mit zwei Einlassöffnungen
aufweist. In den Einlassöffnungen
ist jeweils ein Einlassventil vorgesehen. Das Einspritzventil spritzt
je einen Kraftstoffstrahl in Richtung der Einlassventile. Die konisch divergierenden
Kraftstoffstrahlen weisen dabei einen kleinen Kegelwinkel (in der
Schrift Konus genannt) auf, so dass die Kraftstoffstrahlen auf die
Einlassventile treffen. So soll eine Anhaftung der eingespritzten Kraftstoffes
an den Wänden
der Einlasskanäle
vermieden werden. Bei betriebswarmen Brennkraftmaschinen verdampft
der Kraftstoff auf den "heißen" Einlassventilen
und bildet mit der Frischluft ein Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Beim
Kaltstart und im Warmlauf der Brennkraftmaschine werden die Kraftstoffstrahlen
aufgrund der relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten und
Turbulenzen der Frischluft wenig abgelenkt und verwirbelt. Die Kraftstoffstrahlen
treffen aber nur auf Teilflächen
der Oberflächen
der "kalten", in Offenstellung
befindlichen Einlassventile. Dadurch verdampft nur ein Teil des
Kraftstoffes, der mit der Frischluft ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
bilden kann. Der nicht verdampfte Kraftstoff gelangt mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch
in relativ großen
Tropfen in den Brennraum und führt
insbesondere zu erhöhten
HC-Emissionen. Eine Startanreicherung verstärkt diesen Effekt.
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Um
die Schadstoffemissionen beim Kaltstart und in der Warmlaufphase
zu senken, sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Beispielsweise
offenbart die
DE 40
24 841 A1 ein beheizbares Einlassventil. Dabei ist in einem
Ventilteller des Einlassventils ein Heizelement integriert, dass über aufwendig verlegte
elektrische Leitungen mit einer Heizvorrichtung verbunden ist. Es
wird auch das Beheizen von stationären Bauteilen im Bereich des
Einlassventils, wie z.B. eines Ventilsitzrings, vorgeschlagen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu
stellen, deren Schadstoffemissionen im Kaltstart und in der Warmlaufphase
ohne zusätzliche
Vorrichtungen gesenkt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer
Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist
gekennzeichnet durch Einlassventile, die bei Auftreffen der Kraftstoffstrahlen
in Schließstellung
positioniert sind und der eingespritzte Kraftstoff von den entsprechend
angeordneten, einzigen Einspritzventil so abgegeben wird, dass die
dem Einlasskanal zugewandte, in Schließstellung verfügbare Oberfläche der Einlassventile
im wesentlichen vollständig
mit Kraftstoff benetzt ist. Die Brennkraftmaschine weist eine mechanische
Aufladung in Form einer Verdrängermaschine
auf, die in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet
ist. Der Ansaugtrakt weist jeweils einen Einlasskanal pro Zylinder
der Brennkraftmaschine auf. In dem Einlasskanal ist ein Einspritzventil
vorgesehen. Dem Einlasskanal sind zwei Einlassöffnungen zugeordnet, in denen
Einlassventile vorgesehen sind. Die Einlassöffnungen sind durch eine Trennwand
in dem Einlasskanal voneinander getrennt, so dass jede Einlassöffnung in
einem Teilkanal des Einlasskanals angeordnet ist. Die Verdrängermaschine
wird von der Brennkraftmaschine mechanisch angetrieben und fördert die
verdichtete Frischluft in den Einlasskanal. Das Einspritzventil spritzt
jeweils einen konisch divergierenden Kraftstoffstrahl in Richtung
der Einlassventile. Die Kraftstoffstrahlen sind so ausgerichtet
und geformt, dass vorteilhafterweise im Kaltstart und in der Warmlaufphase
zumindest die dem Einlasskanal zugewandte Oberfläche der Einlassventile mit
Kraftstoff benetzt wird. Die Einlassventile sind bei Auftreffen
der Kraftstoffstrahlen in ihrer Schließstellung positioniert. Der eingespritzte
Kraftstoff verteilt sich auf der Oberfläche des Einlassventils und
bildet einen Kraftstofffilm mit einer kleineren Dicke auf der Oberfläche des
Einlassventils als bei einer Einspritzung mit einem kleinen Kegelwinkel.
Der Kraftstofffilm dampft schneller von der größeren Oberfläche ab.
Der verdampfte Kraftstoff mischt sich mit der Frischluft und bildet
in den Teilkanälen
ein Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Tropfenbildung durch nicht verdämpften Kraftstoff
ist unterbunden, was sich in stark reduzierten HC-Emissionen bemerkbar
macht. Die Vorteile der Kanaleinspritzung in Verbindung mit der
mechanischen Aufladung bleiben weiter erhalten.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung
möglich.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das Einspritzventil symmetrisch
zu den Einlassventilen angeordnet. Besonders in so genannten siamesischen Einlasskanälen, deren
Teilkanäle
spiegelverkehrt zu einer Längsachse
des Einlasskanals bzw. zu einer Motorquerachse angeordnet sind,
ergibt sich der Vorteil, dass gleichzeitig abgespritzte Kraftstoffstrahlen gleichzeitig
die Einlassventile eines Einlasskanals erreichen. Dadurch wird die
Gemischbildung und die Verbrennung reproduzierbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Einspritzventil zwischen
50 mm und 70 mm von den Einlassventilen entfernt angeordnet. Durch
die einlassventilnahe Anordnung des Einspritzventils ist die eingespritzte
Kraftstoffmenge genauer zu dosieren, da durch die kurze Entfernung
kaum Einflusse durch die Strömung
der Frischluft auf die Kraftstoffstrahlen vorhanden sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Einspritzventil
einen Einbauwinkel αE von 29° zu
einer Vertikalen auf. Das Einspritzventil ist in einer Durchbrechung
in einem oberen Wandabschnitt des Einlasskanals abdichtend verbaut
vorgesehen. Dabei ragt zumindest eine Einspritzdüse in den Einlasskanal hinein.
Vorteilhafterweise ist durch die Wahl des spitzen Einbauwinkels des
Einspritzventils zu dem Einlasskanal und der Vertikalen eine Bauraumoptimierung
in Bezug auf die Abdichtung und des Einbauraums des Einspritzventils
möglich.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kraftstoffstrahlen
einen Bendwinkel θB von 17° auf.
Die Richtung der abgespritzten Kraftstoffstrahlen ist dabei von
einer Längsachse
des Einspritzventils abweichend. Die Kraftstoffstrahlen sind um
17° zu der
Längsachse
nach oben, bzw. zum Zylinderkopf geneigt. Vorteilhafterweise ergeben
sich durch eine Neigung der Kraftstoffstrahlen mehr Freiheitsgrade
für die
Anordnung des Einspritzventils.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kraftstoffstrahlen
einen Splitwinkel θS zwischen 40° und 50° zueinander auf. Das Einspritzventil
spritzt zwei voneinander getrennte Kraftstoffstrahlen ein. Vorteilhafterweise
ist durch zwei getrennte Kraftstoffstrahlen eine Anhaftungen von
Kraftstoff an der Trennwand vermeidbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kraftstoffstrahlen
einen Kegelwinkel θK zwischen 20° und 25° auf. Durch den großen Kegelwinkel
ist eine größere Oberfläche der
Einlassventile mit Kraftstoff durch die konisch divergierenden Kraftstoffstrahlen
benetzbar.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines Einlasskanals in einer
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 eine
schematisch vereinfachte Darstellung des Einlasskanals in einer
Draufsicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
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Die
erfindungsgemäße aufgeladene
Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung weist einen Ansaugtrakt
und einen Auslasstrakt auf. In dem Ansaugtrakt ist ein mechanischer
Lader in Form einer Verdrängermaschine
vorgesehen. Die Verdrängermaschine
wird von der Brennkraftmaschine mechanisch mittels eines Riementriebs
angetrieben. Die Verdrängermaschine
ist über
ein Saugrohr mit Einlasskanälen
der Brennkraftmaschine verbunden. Für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine
ist ein Einlasskanal und ein Auslasskanal vorgesehen. Die Auslasskanäle bilden
mit einem Abgaskrümmer
und einer daran angeschlossenen Abgasanlage den Abgastrakt.
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Die 1 und
die 2 zeigen einen Einlasskanal 1 und einen
Auslasskanal 2 für
einen Zylinder 3 der Brennkraftmaschine, die in einem nicht
näher detaillierten
Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine vorgesehen sind.
An einer Trennstelle 5 geht das Saugrohr 6 in
den Einlasskanal 1 über.
Der Einlasskanal 1 endet an den Einlassöffnungen 7 und 8,
die in einen Brennraum 9 führen. In den Einlassöffnungen 7, 8 sind
Einlassventile 10, 11 vorgesehen, die in bekannter
Weise über
einen nicht näher
dargestellten Ventilbetätigungsmechanismus
die Einlassöffnungen 7, 8 öffnen und
schließen
können.
Die Einlassventile 10, 11 weisen vorzugsweise
einen Einbauwinkel αV von 23° gegen
eine Horizontale 12 auf. Die Horizontale 12 stellt
eine Trennfläche
zwischen dem Zylinderkopf 4 und einen nicht näher detaillierten
Motorblock 13 der Brennkraftmaschine dar.
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Wie
in der 2 dargestellt, sind die Einlassöffnungen 7, 8 durch
eine Trennwand 14 in dem Einlasskanal 1 voneinander
getrennt. Dadurch bilden sich zwei Teilkanäle 15 und 16.
Die Teilkanäle 15, 16 sind
zu einer Längsachse
des Einlasskanals bzw. zu einer Motorquerachse 17 symmetrisch
und spiegelverkehrt zueinander angeordnet.
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Der
Auslasskanal 2 ist entsprechend dem Einlasskanal 1 aufgebaut
und wird nicht näher
erläutert.
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In
der 1 ist ein Einspritzventil 18 dargestellt,
das in einer Durchbrechung 19 in einem oberen Wandbereich 20 des
Einlasskanals 1 abdichtend verbaut untergebracht ist, so
dass eine Einspritzdüse 21 des
Einspritzventils 18 in den Einlasskanal 1 hineinragt.
Das Einspritzventil 18 ist vorzugsweise als elektromagnetisches
Einspritzventil ausgeführt
und hat einen nicht näher
dargestellten elektrischen Anschluss und eine nicht näher dargestellte
Kraftstoffversorgung. Das Einspritzventil 18 weist einen
Einbauwinkel αE von 29° gemessen
zu einer Vertikalen 22 auf. Die Einspritzdüse 21 des
Einspritzventils 18 ist zwischen 50 mm und 70 mm, vorzugsweise
60 mm, von den Einlassventilen 10, 11, in ihrer
Schließstellung,
entfernt. Die Kraftstoffstrahlen 23, 24 verlassen
die Einspritzdüse 21 mit
einem Bendwinkel θB von vorzugsweise 17°. Dabei sind die Kraftstoffstrahlen 23, 24 zu
einer Längsachse 25 des
Einspritzventils 18 noch oben bzw. zum Zylinderkopf 4 hin
geneigt.
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Die 2 zeigt
die symmetrische Anordnung des Einspritzventils 18 zu den
Einlassöffnungen 7, 8.
Die Kraftstoffstrahlen 23, 24 weisen einen Splitwinkel θS von 40° bis
50° zueinander
auf. Die Kraftstoffstrahlen 23, 24 divergieren
konisch aus der Einspritzdüse 21 und
weisen einen Kegelwinkel θK von 20° bis
25° auf.
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Erfindungsgemäß ist es
durch die oben beschriebenen Parameter des Einspritzventils 18 und der
Kraftstoffstrahlen 23, 24 möglich, Schadstoffemissionen
im Kaltstart und in der Warmlaufphase ohne zusätzliche Vorrichtungen zu senken.
Dazu fördert
die Verdrängermaschine
verdichtete Frischluft in die Einlasskanäle 1 der Brennkraftmaschine.
Während
der Einspritzvorganges, im Besonderen im Kaltstart und der Warmlaufphase,
sind die Einlassventile 10, 11 in ihrer Schließstellung
positioniert. Die Kraftstoffstrahlen 23, 24 treffen
auf die dem Einlasskanal 1 zugewandten Oberflächen 26, 27 der
Einlassventile 10, 11, so dass die in Schließstellung
der Einlassventile 10, 11 verfügbaren Oberfläche 26, 27 im
wesentlichen vollständig
mit Kraftstoff benetzt sind. Es bildet sich bei gleicher Einspritzmenge
ein Kraftstofffilm mit einer geringeren Dicke auf den gesamten verfügbaren Oberflächen 26, 27 der
Einlassventile 10, 11 als bei einer Einspritzung
des Kraftstoffes nur auf jeweils eine Teilfläche der Oberfläche 26, 27 der
Einlassventile 10, 11. Durch die große Fläche und
die geringe Dicke dampft der Kraftstofffilm schnell von den Oberfläche 26, 27 der
Einlassventile 10, 11 ab. Die Menge des unverdampften
Kraftstoffs nimmt deutlich ab und die Menge des verdampften Kraftstoffes,
der mit der vorverdichteten Frischluft im Einlasskanal 1 ein
Kraftstoff-Luft-Gemisch bilden kann, nimmt entsprechend zu.
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Die
Einspritzung von Kraftstoff auf die in Schließstellung positionierten Einlassventile 10, 11 wirkt
unterstützend
auf die Verdampfung des Kraftstoffs ein, da der Kraftstoff im Gegensatz
zu einer Einspritzung auf offene Einlassventile nicht vor dem vollständigen Verdampfen
als unverdampfter Kraftstoff in den Brennraum 9 gelangt.
Zusätzlich
führt die Einspritzung
von Kraftstoff auf die in Schließstellung positionierten Einlassventile 10, 11 zu
einer Vorlagerung von einen Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Teilkanälen 15, 16.
Dadurch sind erhebliche Vorteile im motorischen Verhalten, insbesondere
bei Laständerungen,
möglich.
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Vorteilhafterweise
führt die
deutlich geringere Menge an unverdampften Kraftstoff, der bei Öffnen der
Einlassventile 10, 11 in den Brennraum 9 gelangt, zu
einer drastischen Reduzierung der Schadstoffemissionen, insbesondere
der HC-Emissionen.
Darüber
hinaus ist die eingespritzten Kraftstoffmenge aufgrund der effektiveren
Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes reduzierbar.
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Die
Einlassventile 10, 11 heizen sich insbesondere
in aufgeladenen Brennkraftmaschinen sehr schnell und sehr stark
auf. Mit dem schnellen Aufheizen der Einlassventile 10, 11 ist
im Kaltstart und der Warmlaufphase die Menge des eingespritzten
Kraftstoffes weiter reduzierbar, da der Anteil des unverdampften
Kraftstoffes weiter drastisch abnimmt. Weiter ist durch die optimierte
Einspritzung eine effektive Innenkühlung bei betriebswarmer Brennkraftmaschine
gegeben. Die stark erhitzten Einlassventile 10, 11 sind
durch den optimal verteilten Kraftstoff auf ihren Oberflächen 25, 26 besser
kühlbar
als bei einer Einspritzung auf eine Teilfläche der Oberflächen 26, 27. Dadurch
kann auf gekühlte
Einlassventile verzichtet werden.