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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 einer bestimmten Kraftstoffstrahlform eine
verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewährleisten
sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden
nach außen öffnende Einspritzdüsen zur
Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.
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Aus
der
DE 199 11 023
C2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Kraftstoff
durch eine nach außen öffnende
Einspritzdüse
in den Brennraum in Form eines Hohlkegels eingebracht wird. In einem
Schichtladebetrieb trifft der Kraftstoff dabei auf komprimierte
Verbrennungsluft im Brennraum, so dass sich hierdurch ein Randwirbel
im Brennraum bildet. Somit wird ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch
in die Nähe
einer Zündkerze
transportiert. Die Anordnung der Zündkerze erfolgt derart, dass
die Elektroden der Zündkerze
in den erzielten Randwirbel hineinragen, wobei sie während der
Kraftstoff einspritzung außerhalb
einer Mantelfläche
des Kraftstoffhohlkegels liegen.
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Die
Anordnung der Einspritzdüse
im Brennraum und die Positionierung einer für die Zündung eines gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches
vorgesehenen Zündkerze
sind dabei maßgeblich
für die
Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine und deren Wirkungsgrad.
Zur Erzielung einer zuverlässigen
Zündung
ist die Gestaltung der Brennraumkonfiguration entscheidend, um während des
Betriebs ein Auftreten von Zündaussetzern
zu vermeiden. Letztere sind häufig
darauf zurückzuführen, dass
bei der Fertigung der Einspritzdüsen
trotz Einhaltung der zugelassenen Toleranzen oftmals Kraftstoffstrahlbilder
mit geringfügigen
Abweichungen von einer idealen Strahlstruktur 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 ein erstes Verhältnis von erstem Abstand zu
Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere
von 0,13 bis 0,17 liegt. Hierdurch kommt ein auf die Zylinderbohrung
angepasster Abstand zwischen der Zündkerze und einer Kraftstoffaustrittsöffnung im
Brennraum zustande, so dass zur Gewährleistung einer zuverlässigen Zündung eine
günstige
Kraftstoffverteilung im Brennraum erzielt wird. Durch die vorliegende
Erfindung wird ein Konzept zur Verfügung gestellt, mit dem die
Bildung von zündfähigem Gemisch
in der Nähe
der Elektroden der Zündkerze
insbesondere im Hinblick auf ein strahlgeführtes Brennverfahren optimiert
wird. Die hierdurch überraschend
erzielten Effekte werden auf die günstige Abstimmung zwischen einem
im Brennraum gebildeten Randwirbel in Relation zum Bohrungsdurchmesser
zurückgeführt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoffinjektor im
Zylinderkopf derart positioniert, dass sich zwischen einer Kraftstoffaustrittsöffnung und
einer Einlassventilachse ein zweiter Abstand ergibt, wobei ein zweites
Verhältnis
von zweitem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von
0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 vorgesehen ist. Hierdurch
wird eine bemerkenswerte, auf eine Ladungsbewegung und Bohrungsdurchmesser
abgestimmte und schnelle Kraftstoffausbreitung innerhalb des gebildeten
Wirbels hervorgerufen. Somit wird der Kraftstoff in den Außenbereichen
des Randwirbels rasch mit der Verbrennungsluft vermischt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoffinjektor derart
positioniert, dass sich zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung und
einer Auslassventilachse ein dritter Abstand ergibt, wobei ein drittes
Verhältnis
von drittem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen
0,16 und 0,24, vorzugsweise zwischen 0,18 und 0,22 vorgesehen ist.
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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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze so positioniert, dass
sich zwischen der Auslassventilachse und einem freien Endabschnitt der
Zündkerzenmittelelektrode
ein vierter Abstand ergibt, wobei ein viertes Verhältnis von
viertem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,02
bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1 vorgesehen ist. Hierdurch
wird eine bei einem Ladungswechsel erzeugte Ladungsbewegung auf
die in den Brennraum einspritzte Kraftstoffmenge angepasst, so dass
der Kraftstoff innerhalb des gebildeten Kraftstoffhohlkegels gleichmäßig verteilt
wird. Somit stehen zum Zündzeitpunkt
zündfähige Gemischanteile im
Bereich der Elektroden der Zündkerze
zur Verfügung.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze derart positioniert,
dass sich zwischen der Einlassventilachse und dem freien Endabschnitt
der Zündkerzenmittelelektrode
ein fünfter
Abstand ergibt, wobei ein fünftes
Verhältnis
von fünftem
Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,25 und
0,4, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,35 liegt. Hierdurch ist eine
auf die vorliegende Brennraumkonfiguration abgestimmte und kontrollierte Führung der
Kraftstoffteilchen entlang des Hohlkegels in Richtung der Zündkerze
gewährleistet.
Weiterhin wird eine ausreichende Kontaktoberfläche mit der Verbrennungsluft
für die
am äußeren Bereich
des Hohlkegels verwirbelten Kraftstofftröpfchen in Abhängigkeit
vom 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
schematische Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden
fremdgezündeten
Brennkraftmaschine und
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2 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
eines schematischen Brennraums der 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 6 und
eine Zündkerze 7,
wobei der Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 benachbart
zueinander im mittleren Bereich eines Brennraumdachs 19 vorgesehen
sind. Die Anzahl der Einlass- und Auslassventile kann im Sinne der Erfindung
variabel ausgewählt
werden. Die Erfindung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
eignet sich insbesondere für
Brennkraftmaschinen mit je zwei Einlass- und Auslassventilen. Im
Zylinderkopf 5 sind Einlass-und Auslasskanäle 13, 14 vorgesehen, wobei
im Kolben 3 vorzugsweise eine Kolbenmulde 3a vorgesehen
ist. Weiterhin weist der Zylinder 2 eine Zylinderbohrung 2a mit
einem Bohrungsdurchmesser D auf.
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Um
optimale Zündverhältnisse
im Bereich des zum Zündzeitpunkt
an den Elektroden 12 der Zündkerze 7 vorliegenden
Randwirbels 10 zu erzielen, ist es notwendig, die Brennraumkonfiguration dem
strahlgeführten
Brennverfahren anzupassen. Daher zielt die Erfindung darauf ab,
dass mittels einer entsprechenden Brennraumkonfiguration zündfähige Bereiche
des ausgebildeten Randwirbels 10 zu einem Zündzeitpunkt
von einem an der Zündkerze 7 gebildeten
Zündfunken
erfasst werden.
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Erfindungsgemäß ist die
Anordnung der Zündkerze 7 und
des Kraftstoffinjektors 6 mit Bezug auf die Brennraumverhältnisse
und insbesondere auf die Zylinderbohrung 2a zu gestalten.
Der Kraftstoffinjektor 6 ist gemäß 2 im mittleren
Bereich des Brennraumdachs 19 positioniert und weist eine
nach außen öffnende
Einspritzdüse
auf, wobei eine Kraftstoffaustrittsöffnung 11 der Einspritzdüse in den Brennraum 4 einragt.
Die Zündkerze 7 ist
ebenfalls im Brennraumdach auslassseitig zwischen dem Auslasskanal 16 und
dem Kraftstoffinjektor 6 angeordnet, wobei sie im Sinne
der Erfindung ebenfalls einlassseitig angeordnet sein kann. Der
Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 sind im
Brennraum derart angeordnet, dass ein erstes Verhältnis C/D
von erstem Abstand C zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von
0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 liegt. Der erste Abstand
C entspricht einer kürzesten
Distanz zwischen einer Kraftstoffinjektorachse 18 und einem
freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode 20.
Die Zündkerze 7 kann
zwischen dem Einlasskanal 13 und dem Kraftstoffinjektor 6 oder
zwischen dem Auslasskanal und dem Kraftstoffinjektor 6 unter
Einhaltung des ersten Verhältnisses
C/D angeordnet sein. Durch die vorgesehenen Verhältnisse kommt eine auf die
Zylinderbohrung angepasste Zündkerze-Kraftstoffinjektor-Anordnung zustande,
mit der die Bildung von zündfähigem Gemisch
in der Nähe
der Elektroden der Zündkerze gewährleistet
ist. Hierdurch wird das Auftreten von Zündaussetzern vermieden. Mit
dem ersten Verhältnis
C/D wird eine günstige
Abstimmung zwischen der Kraftstoffverteilung im Bereich der Zündkerze 7 in Relation
zum Bohrungsdurchmesser D erzielt.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls vor, die Anordnung des Kraftstoffinjektors 6 abgestimmt
auf die Positionen der Einlass- 15 und Auslasskanäle 16 relativ
zur Zylinderbohrung 2a auszuwählen. Somit wird mit Hilfe
der vorgeschlagenen Brennraumkonfiguration zur Minimierung des Auftretens
von Zündaussetzern
eine mögliche
Entstehung von kraftstoffarmen Zonen im Elektrodenbereich zu einem
Zündzeitpunkt
vermieden. Der Brennraum 4 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist derart
ausgebildet, dass ein zweites Verhältnis E/D von zweitem Abstand
E zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere
von 0,17 bis 0,19 liegt. Dabei entspricht der zweite Abstand E einer
kürzesten
Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer
Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils.
Durch den vorgeschlagenen zweiten Abstand E wird die Kraftstoffmenge
im äußeren Bereich
des Randwirbels 10 intensiv mit der verdichteten Verbrennungsluft
vermischt. Somit wird der Transport von zündfähigem Gemisch in die Nähe eines
Zündfunkens
an der Zündkerze 7 begünstigt.
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Um
weiterhin die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich
der Elektroden 12 zu gewährleisten, sieht die Erfindung
eine Brennraumkonfiguration vor, bei der ein drittes Verhältnis A/D
von drittem Abstand A zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich
von 0,16 bis 0,24, insbesondere von 0,18 bis 0,22 liegt. Dabei entspricht
der dritte Abstand A einer kürzesten
Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer
Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls vor, die Anordnung der Zündkerze 7 abgestimmt
auf die Positionen der Einlass- und
Auslasskanäle
relativ zur Zylinderbohrung 2a zu wählen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung liegt ein viertes Verhältnis B/D von viertem Abstand
B zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere
von 0,04 bis 0,1. Dabei entspricht der vierte Abstand B einer kürzesten
Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und
einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
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Weiterhin
sieht die Erfindung vor, dass ein fünftes Verhältnis F/D von fünftem Abstand
F zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,25 bis 0,4, insbesondere
von 0,3 bis 0,35 liegt. Dabei entspricht der fünfte Abstand F einer kürzesten
Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der
Zündkerze 7 und
einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils.
Durch das vorgesehene Verhältnis
wird der Transport der zündfähigen Gemischanteile
im äußeren Bereich
des Randwirbels 10 in Richtung der Zündkerze 7 in Abstimmung
auf eine im Brennraum 4 gebildete Ladungsbewegung gefördert.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 arbeitet
nach dem Viertaktprinzip, wobei erfindungsgemäß die Brennkraftmaschine ebenfalls
als eine fremdgezündete
Zweitaktbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet sein
kann. 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 nachfolgenden 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. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen
mit einem Hubraum zwischen zwei und sieben Litern, vorzugsweise
zwischen drei und sechs Litern. Weiterhin werden Bohrungsdurchmesser
zwischen 85 mm und 100 mm bevorzugt. Insbesondere liegt beim Schichtladebetrieb
ein strahlgeführtes
Brennverfahren vor. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mit
einem Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 60 bis 500 bar. Insbesondere
im Schichtladebetrieb findet die Kraftstoffeinspritzung mit einem
Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 180 bis 220 bar, vorzugsweise 195
bis 205 bar an einem Zeitpunkt statt, an dem ein Gegendruck im Brennraum
zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen acht und zwanzig
bar, vorzugsweise zwischen zehn und sechzehn bar beträgt. Das
entspricht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Kurbelwinkelbereich
zwischen 50° und 10° vor einem
oberen Zünd-Totpunkt.
Der hier angegebene Kurbelwinkelbereich dient nur als Beispiel, denn
je nach Bau- und Betriebsart der Brennkraftmaschine sowie je nach
Lastpunkt kann der gemäß der Erfindung
vorgeschlagene Gegendruckbereich bzw. Zylinderdruckbereich in einem
anderen Kurbelwinkelbereich liegen. Beispielsweise liegt der vorgeschlagene
Brennraumgegendruck bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen durchaus
in einem früheren Kurbelwinkelbereich
als bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
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Bei
dem gemäß der Erfindung
vorgeschlagenen strahlgeführten
Brennverfahren wird vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet,
mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen
75° und
100°, vorzugsweise
zwischen 85° und
95° oder
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 ist so gewählt, dass
die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in
den erzielten Randwirbel 10 hineinragen, wobei sie während der
Kraftstoffeinspritzung außerhalb
einer Mantelfläche 9 des
Kraftstoffkegels 8 liegen. Dadurch werden die Elektroden 12 der
Zündkerze 7 mit
Kraftstoff kaum benetzt. Durch die ausgeführten Verhältnisse wird insbesondere im
Schichtladebetrieb eine optimale Verbrennung ermöglicht und eine zuverlässige Zündung in
allen Lastpunkten der Brennkraftmaschine 1 erzielt.