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Die
Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 2.
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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
Kraftstoffeinspritzung 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 und durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich nach einem ersten Ausführungsbeispiel dadurch
aus, dass ein erstes Verhältnis
von erstem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,02
bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1 vorgesehen ist. Mit dem
vorgeschlagenen ersten Verhältnis
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. 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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Weiterhin
zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
dadurch aus, dass ein zweites Verhältnis von zweitem Abstand zu
Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,4, vorzugsweise
zwischen 0,3 und 0,35 vorgesehen ist. Im vorgeschlagenen Bereich
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. 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.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Zündkerze und der Kraftstoffinjektor
so positioniert, dass sich zwischen einer Injektorachse und einem freien
Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein
dritter Abstand ergibt, wobei ein drittes Verhältnis von drittem Abstand zu
Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere
von 0,13 bis 0,17 vorgesehen ist. Mit dem vorgeschlagenen dritten
Verhältnis
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.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoffinjektor
im Zylinderkopf derart positioniert ist, dass sich zwischen einer
Kraftstoffaustrittsöffnung
und der Einlassventilachse ein vierter Abstand ergibt, wobei ein
viertes Verhältnis
von viertem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von
0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 vorgesehen ist. Mit
dem vorgeschlagenen vierten Verhältnis
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 weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoffinjektor
im Zylinderkopf derart positioniert, dass sich zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung und
der Auslassventilachse ein fünfter
Abstand ergibt, wobei ein fünftes
Verhältnis
von fünftem 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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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.
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Die
vorliegende Erfindung sieht vor, die Anordnung der Zündkerze 7 abgestimmt
auf die Positionen der Einlass- und Auslasskanäle relativ zur Zylinderbohrung 2a zu
wählen.
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung liegt ein erstes Verhältnis B/D von erstem Abstand
B zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere
von 0,04 bis 0,1. Dabei entspricht der erste Abstand B einer kürzesten
Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und
einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
Mit dem ersten Verhältnis B/D
wird die Zündkerze
in einem Bereich positioniert, in dem an einem Zündzeitpunkt zündfähige Gemischanteile
vorliegen. Hierdurch wird das Auftreten von Zündaussetzern vermieden.
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Um
die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch
im Bereich der Elektroden 12 zu gewährleisten, sieht die Erfindung
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
vor, dass ein zweites Verhältnis
F/D von zweitem 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 zweite
Abstand F einer kürzesten
Distanz zwischen dem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der
Zündkerze 7 und
einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils.
Durch die erzielte Zündkerzenanordnung
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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Es
ist denkbar, dass die Positionierung der Zündkerze 7 sowohl gemäß dem ersten
als auch gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
erfolgt. Demnach können
beide Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden. Hierdurch wird ein Konzept zur Verfügung gestellt,
mit dem die Bildung von zündfähigem Gemisch
in der Nähe
der Elektroden der Zündkerze
insbesondere im Hinblick auf das strahlgeführte Brennverfahren optimiert
wird. Die hierdurch überraschend
erzielten Effekte werden auf die günstige Abstimmung zwischen
dem gebildeten Randwirbel 10 und dem Zündfunkenort im Brennraum in
Relation zum Bohrungsdurchmesser zurückgeführt.
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Weiterhin
sind der Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 im Brennraum
derart angeordnet, dass ein drittes Verhältnis C/D von drittem Abstand
C zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere
von 0,13 bis 0,17 liegt. Der dritte Abstand C entspricht einer kürzesten
Distanz zwischen einer Kraftstoffinjektorachse 18 und dem freien
Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode 20.
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Zur
weiteren Optimierung der Brennraumkonfiguration sieht die vorliegende
Erfindung 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 viertes Verhältnis E/D von viertem 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 vierte Abstand E einer kürzesten
Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und der
Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils.
Durch den vorgeschlagenen vierten 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
die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch
im Bereich der Elektroden 12 zu gewährleisten, sieht die Erfindung
ferner eine Brennraumkonfiguration vor, bei der ein fünftes Verhältnis A/D
von fünftem
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
fünfte
Abstand A einer kürzesten
Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und der
Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
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Die
Zündkerze 7 kann
gemäß der Erfindung zwischen
dem Einlasskanal 13 und dem Kraftstoffinjektor 6 oder
zwischen dem Auslasskanal und dem Kraftstoffinjektor 6 unter
Einhaltung der vorgeschlagenen Brennraumkonfigurationsverhältnisse
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.
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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 wird erfindungsgemäß 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.
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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.