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Die
Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Beim
Betrieb von fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet,
die durch die Bildung eines bestimmten Kraftstoffstrahlbildes eine
verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewährleisten
sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden
nach außen öffnende Einspritzdüsen zur
Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.
Das durch solche Einspritzdüsen
erzeugte Strahlbild ist dabei maßgeblich für die Zündeigenschaften des gebildeten
Gemisches. Zur Vermeidung einer Fehlzündung ist die Gestaltung der
Brennraumkonfiguration entscheidend, da ein nahezu bleibendes Strahlbild
während
des Betriebs nicht immer gewährleistet
ist. Das ist darauf zurückzuführen, dass
trotz einer Fertigung der Einspritzdüsen unter Einhaltung der zugelassenen
Toleranzen im motorischen Betrieb Strahlbilder mit geringfügigen Abweichungen
von einem idealen Strahlbild zustande kommen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung bereitzustellen, bei der die Gemischbildung
sowie die Verbrennung im Brennraum verbessert sind. Diese wird erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich dadurch aus, dass im Zylinder eine Zylinderbohrung vorgesehen
ist, die einen Durchmesser aufweist, der so bemessen ist, dass zu
einem Zündzeitpunkt
der Brennkraftmaschine ein Verhältnis von
mittlerem Durchmesser des Kraftstoffrandwirbels zu Bohrungsdurchmesser
in einem Bereich von 0,08 bis 0,2, insbesondere von 0,1 bis 0,12
liegt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen
Abmessungen bzw. Verhältnisse
kommt beim Betrieb der Brennkraftmaschine eine auf die Zylinderbohrung
angepasste Kraftstoffstrahlstruktur bzw. eine Kraftstoffverteilung zustande,
mit der die Bildung von zündfähigem Gemisch
in der Nähe
der Elektroden der Zündkerze
verstärkt
wird. Somit wird eine zuverlässige
Zündung ohne
Zündaussetzer
ermöglicht.
Die bei den erfindungsgemäßen Verhältnissen überraschend
erzielten Effekte werden vorwiegend durch die günstige Abstimmung zwischen
der erlangten Verteilung der Kraftstoffteilchen im Randwirbel in
Relation zum Bohrungsdurchmesser erreicht.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung liegt zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von
mittlerem Durchmesser des Randwirbels zu Randwirbelzentrum in einem
Bereich zwischen 0,25 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,1.
Hierdurch wird eine bemerkenswert schnelle Kraftstoffausbreitung
innerhalb des Randbereichs des Wirbels hervorgerufen und somit eine
rasche Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft erzielt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftstoffhohlkegel
zum Zündzeitpunkt
einen Toruswirbeldurchmesser auf, wobei ein Verhältnis von Toruswirbeldurchmesser
zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,4 oder
zwischen 0,25 und 0,35 liegt. Somit wird die einspritzte Kraftstoffmenge
innerhalb des Hohlkegels gleichmäßig verteilt
und eine Kraftstoffvermischung mit der Verbrennungsluft intensiviert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftstoffhohlkegel
einen maximalen Durchmesser der Kraftstoffwolke auf, wobei zum Zündzeitpunkt
ein Verhältnis
von maximalem Durchmesser zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von
0,35 bis 0,65 oder von 0,45 bis 0,55 liegt. Im vorgeschlagenen Bereich
bilden sich erfindungsgemäß auf den
Bohrungsdurchmesser abgestimmte Strömungsverhältnisse aus, die im Randwirbelbereich eine
schnelle und ausreichende Vermischung der Kraftstofftröpfchen mit
der Verbrennungsluft ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben eine Mulde
mit einem Muldendurchmesser auf, wobei zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von
maximalem Durchmesser der Kraftstoffwolke zu Muldendurchmesser zwischen
0,5 und 1,5 oder zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Somit werden turbulente
Strömungsbewegungen
zwischen Kraftstoffhohlkegel und Kolbenoberfläche erzielt, die bei einer
Einspritzung des Kraftstoffs im Kompressionstakt zu einem kompakten
Kraftstoff/Luft-Gemisch führen,
ohne dass das Gemisch in den Randbereichen ausdünnt und zu erhöhten Abgasemissionen
führt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt zum Zündzeitpunkt
ein Verhältnis
von maximaler Eindringtiefe des Kraftstoffhohlkegels zu Bohrungsdurchmesser
in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 oder von 0,2 bis 0,3. Hierdurch
ist eine gleichmäßige und
kontrollierte Führung
der Kraftstoffteilchen entlang des Hohlkegels gewährleistet.
Dies führt dann
gezielt zu einer stärkeren
Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft. Weiterhin
wird eine ausreichende Kontaktoberfläche mit der Verbrennungsluft
für die
am äußeren Bereich
des Hohlkegels verwirbelten Kraftstofftröpfchen in Abstimmung mit dem
Bohrungsdurchmesser zur Verfügung gestellt.
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Weitere
Merkmale und Merkmalkombinationen ergeben sich aus der Beschreibung.
Konkrete Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine
und
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2 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
eines Brennraums des direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine
nach 1.
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1 zeigt
einen Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 mit
Direkteinspritzung, in dem ein Brennraum 4 zwischen einem
Kolben 3 und einem Zylinderkopf 5 begrenzt ist.
Die Brennkraftmaschine umfasst pro Brennraum 4 mindestens
ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor 14 und
eine Zündkerze 7.
Im Zylinderkopf 5 sind Einlass- und Auslasskanäle vorgesehen,
wobei in 1 nur ein Einlasskanal 13 abgebildet
ist. Im Kolben 3 ist vorzugsweise eine Kolbenmulde 3a vorgesehen.
Der Zylinder 2 weist eine Zylinderbohrung 2a mit
einem Bohrungsdurchmesser D auf. Die in 1 dargestellte
Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem Viertaktprinzip,
wobei erfindungsgemäß die Brennkraftmaschine
ebenfalls als eine fremdgezündete
Zweitaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet sein
kann.
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Im
ersten Takt wird dem Brennraum 4 durch den Einlasskanal 13 Verbrennungsluft
zugeführt,
wobei der Kolben 3 sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren
Totpunkt bewegt. Im weiteren Kompressionstakt bewegt sich der Kolben 3 in
einer Aufwärtsbewegung
vom unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt, wobei der Kraftstoff
in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 während des Kompressionstakts
eingespritzt wird. Im Bereich des oberen Totpunkts wird mittels
der Zündkerze 7 ein gebildetes
Kraftstoff/Luft-Gemisch
gezündet,
wobei der Kolben 3 in einer Abwärtsbewegung bis zum unteren
Totpunkt expandiert. Im letzten Takt fährt der Kolben 3 in
einer Aufwärtsbewegung
bis zum oberen Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum 4 aus.
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Die
Brennkraftmaschine 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird derart betrieben, dass im unteren und mittleren Drehzahl- und
Lastbereich im Schichtladebetrieb und im oberen Lastbereich im Homogenbetrieb
gefahren wird. Insbesondere wird beim Schichtladebetrieb ein so
genanntes strahlgeführtes
Brennverfahren durchgeführt.
Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt im Schichtladebetrieb
mit einem Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 180 bar bis 220 bar
zu einem Zeitpunkt, an dem ein Gegendruck im Brennraum zum Zeitpunkt
der Kraftstoffeinspritzung zwischen 8 bar und 20 bar, vorzugsweise
zwischen 10 und 16 bar beträgt.
Das entspricht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Kurbelwinkelbereich
zwischen 40° und
10° vor
dem oberen Totpunkt. Der hier angegebene Kurbelwinkelbereich kann
je nach Bau- und Betriebsart der Brennkraftmaschine sowie je nach
Lastpunkt der gemäß der Erfindung
vorgeschlagene Gegendruckbereich bzw.
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Zylinderdruckbereich
in einem anderen Kurbelwinkelbereich liegen.
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Bei
einem solchen strahlgeführten
Brennverfahren wird vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet,
mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen
70° und 100°, vorzugsweise
zwischen 80° und
90° erzeugt wird.
Da der Kraftstoffhohlkegel 8 auf eine im Brennraum 4 komprimierte
Verbrennungsluft trifft, bildet sich ein torusförmiger Randwirbel 10 im
Brennraum 4 derart aus, dass im Bereich der Elektroden 12 der Zündkerze 7 ein
zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzielt
wird. Die Anordnung der Zündkerze 7 erfolgt derart,
dass die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in den erzielten
Randwirbel 10 hineinragen, wobei die Funkenstrecke während der
Kraftstoffeinspritzung außerhalb
einer Mantelfläche 9 des
Kraftstoffkegels 8 liegt. Dadurch werden die Elektroden 12 der
Zündkerze 7 mit
Kraftstoff kaum benetzt.
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Um
optimale Zündverhältnisse
im Bereich des zum Zündzeitpunkt
an den Elektroden 12 der Zündkerze 7 vorliegenden
Randwirbels zu erzielen, ist es notwendig, einen nahezu gleichmäßigen Randwirbel 10 zu
gestalten. Das heißt
der ausgebildete Randwirbel 10 soll im gesamten Bereich
eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung
aufweisen, so dass im Bereich der Elektroden zum Zündzeitpunkt
ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch vorhanden
ist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, mittels einer erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration
die Einspritzung des in den Brennraum 4 eingebrachten Kraftstoffhohlkegels 8 auf
die Brennraumverhältnisse
und insbesondere auf die Zylinderbohrung 2a abzustimmen.
Somit wird die Kraftstoffmenge im äußeren Bereich des Randwirbels 10 durch
die Erfindung optimal verteilt und gleichzeitig intensiv mit der
verdichteten Verbrennungsluft vermischt. Weiterhin wird mit Hilfe
der vorgeschlagenen Brennraumkonfiguration einer möglichen
Entstehung von kraftstoffarmen Zonen im Elektrodenbereich entgegengewirkt,
so dass ein Auftreten von Zündaussetzern
vermieden wird.
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2 zeigt
schematisch eine vergrößerte Brennraumansicht
zur Veranschaulichung der Ausbildung des Randwirbels 10 im
Brennraum 4 zu einem Zündzeitpunkt.
Der aus der Einspritzdüse 11 austretende
Kraftstoffhohlkegel 8 trifft im Brennraum 4 auf
komprimierte Verbrennungsluft. Um eine Kraftstoffstrahlstruktur
gemäß 2 abzubilden,
wird der Einspritzvorgang mittels der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 11 bei
der Einspritzung von Otto-Kraftstoff oder n-Heptan unter Motorbetriebsbedingungen innerhalb
einer Druckkammer aufgenommen, die mit gasförmigem Stickstoff unter Druck
befüllt
ist. Alternativ kann die Druckkammer mit Luft befüllt sein. Während der
Kraftstoffeinspritzung entsteht gemäß 2 eine Strahlstruktur,
bei der an der Mantelfläche des
eingespritzten Hohlkegels 8 ein Randwirbel 10 gebildet
wird. Beleuchtet man den Einspritzstrahl bzw. den Hohlkegel 8 durch
eine Lichtquelle im Durchlicht- oder Gegenlichtverfahren, so entsteht
bei einem Einspritzdruck von etwa 180 bis 220 bar, insbesondere
bei 200 bar und bei einem absoluten Druck in der Einspritzkammer
von etwa vier bar bis acht bar, insbesondere bei sechs bar das in 2 dargestellte
Strahlbild, wenn eine Aufnahme zu einem Zündzeitpunkt stattfindet. Diese
Bedingungen entsprechen den im Betrieb der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 vorliegenden
Brennraumbedingungen zum Einspritzzeitpunkt. Durch die Lichtquelle
wird von dem eingespritzten Strahl mittels einer Kamera ein Gegenlichtbild
erzeugt, das von der Kamera zu einem diskreten Zeitpunkt aufgenommen wird.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
wird die Brennkraftmaschine 1 derart betrieben, dass im
unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich im Schichtladebetrieb
und im oberen Drehzahl- und Lastbereich im Homogenbetrieb gefahren
wird. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit einem
Hubraum zwischen zwei und sieben Litern, vorzugsweise zwischen drei
und sechs Litern. Weiterhin werden Bohrungsdurchmesser D zwischen
85 cm und 100 cm bevorzugt. Dabei wird eine nach außen öffnende
Einspritzdüse 11 verwendet,
mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen
80° und
90° erzeugt
wird. Im Schichtladebetrieb wird ein Randwirbel 10 mit
einem mittleren Durchmesser dmR bei einem Kraftstoffeinspritzdruck
von etwa 180 bis 220 bar gebildet, wenn im Brennraum 4 der
Gegendruck zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen 10
bar und 16 bar beträgt.
Gemäß der Erfindung
lässt sich
der mittlere Durchmesser dmR aus einem größten Durchmesser dR1 und einem
kleinsten Durchmesser dR2 einer Ellipse 10a ermitteln.
Sowohl beide Durchmesser als auch der Randwirbel 10 sind
durch die Ellipse 10a umrandet. Der mittlere Durchmesser
dmR setzt sich zu je aus einer Hälfte
der beiden Ovaldurchmesser. Der mittlere Durchmesser dmR ist gleich
der Hälfte der
Summe vom größten und
dem kleinsten Durchmesser. Die Brennkraftmaschine ist erfindungsgemäß derart
ausgebildet, dass zum Zündzeitpunkt
ein Verhältnis
dmR/D von mittlerem Wirbeldurchmesser dmR zu Bohrungsdurchmesser
D in einem Bereich zwischen 0,08 und 0,2 oder zwischen 0,01 und
0,12 liegt. Hierdurch wird im Randwirbel 10 eine auf den Zylinderbohrungsdurchmesser
abgestimmte Kraftstoffverteilung erzielt, die erfindungsgemäß eine ausreichende
Menge an zündfähigem Gemisch
im Bereich der Elektroden ermöglicht.
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Zur
weiteren Optimierung der Ausgestaltung des Randwirbels 10 im
Hinblick auf eine zündaussetzerfreie
Verbrennung weist der Randwirbel 10 ein Randwirbelzentrum
aR auf, das einem Abstand zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung und
einem Schnittpunkt vom größten dR1
und dem kleinsten dR2 Durchmesser entspricht. Erfindungsgemäß liegt zum
Zündzeitpunkt
ein Verhältnis
dmR/aR von mittlerem Durchmesser dmR zu Randwirbelzentrum aR in einem
Bereich zwischen 0,25 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,1
liegt. Somit ist eine zuverlässige
Zündung
zum Zündzeitpunkt
gewährleistet.
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Erfindungsgemäß weist
der Kraftstoffhohlkegel 8 zum Zündzeitpunkt einen Toruswirbeldurchmesser
dR auf, der einem Kreis innerhalb des torusförmigen bzw. ringförmigen Wirbels 10 entspricht. Dieser
Kreis entspricht dem Verlauf der Randwirbelzentren aR. Um eine optimale
Zündung
im Betrieb der Brennkraftmaschine zu erzielen, liegt ein Verhältnis dR/D
von Toruswirbeldurchmesser dR zu Bohrungsdurchmesser D in einem
Bereich zwischen 0,2 und 0,4 oder zwischen 0,25 und 0,35.
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Um
weiterhin die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich
der Elektroden 12 zu gewährleisten, beträgt ein maximaler
Durchmesser dS der Kraftstoffwolke bzw. des Kraftstoffstrahls zum
Zündzeitpunkt
das 0,35- bis 0,65-fache
oder das 0,45- bis 0,55-fache des Bohrungsdurchmessers D. Der maximale
Durchmesser dS schließt
einen Ring ein, der die äußersten
Bereiche des Randwirbels 10 umfasst. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die im Kolbenboden eingelassene Mulde 3a einen
Muldendurchmesser dm auf. Zur Erzielung einer günstigen Verbrennung mit einem
möglichst
hohen Wirkungsgrad beträgt zum
Zündzeitpunkt
der maximale Durchmesser dS der Kraftstoffwolke bzw. des Kraftstoffstrahls
das 0,5- bis 1,5-fache oder das 0,8- bis 1,2-fache des Muldendurchmessers
dm.
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Eine
weitere Optimierung der Zündung
wird im Sinne der Erfindung durch eine der Brennraumkonfiguration
entsprechend angepasste Eindringtiefe ES des Einspritzstrahls bzw.
des Kraftstoffhohlkegels 8 erzielt. Die Eindringtiefen
ES entspricht einem vertikalen Abstand zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung und
einer Horizontalen, die unmittelbar unterhalb des Kraftstoffhohlkegels 8 zum
Zündzeitpunkt liegt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine derartige Kraftstoffeinspritzung
vor, bei der zum Zündzeitpunkt ein
Verhältnis
ES/D von maximaler Eindringtiefe ES des Kraftstoffhohlkegels 8 zu
Bohrungsdurchmesser D von 0,1 bis 0,5 oder von 0,2 bis 0,3 vorliegt.
Es hat sich gezeigt, dass sich in diesem Verhältnisbereich eine zuverlässige Zündung ergibt.
Mit der auf die Zylinderbohrung 2a abgestimmte Eindringtiefe
ES wird der Kraftstoff derart im Randwirbel 10 verteilt,
dass eine schnellere Vermischung mit der im Brennraum 4 vorhandenen
Verbrennungsluft erzielt wird.
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Durch
die ausgeführten
Verhältnisse
wird eine bestmögliche
Verbrennung ermöglicht
und eine ausgeprägte
torusförmige
Wirbelbildung erzielt. Dabei werden die Kraftstoffteilchen im Randbereich
des Wirbels 10 derart konzentriert, dass sich mehr Tropfen
im Randbereich aufhalten. Dadurch werden eine größere Kontaktfläche zur
Verbrennungsluft und die Bildung eines Randwirbels 10 mit
einer gleichmäßigen Kraftstoffverteilung
bewirkt.