DE102006063075B3

DE102006063075B3 - Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine for such a method

Info

Publication number: DE102006063075B3
Application number: DE102006063075.0A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Zöller Herbert
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2026-05-05

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mindestens einen Zylinder (1), einen im Zylinder (1) auf und ab geführten Kolben (2), einen Zylinderkopf (3) und einen durch den Zylinder (1), den Kolben (2) und den Zylinderkopf (3) begrenzten Brennraum (4) umfaßt, wobei in einen Kolbenboden (5) des Kolbens (2) eine Kolbenmulde (6) eingeformt ist, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden (5) in einen im Wesentlichen ringförmigen Stufenraum (7) übergeht, und wobei ein Injektor (8) für Kraftstoff in den Brennraum (4) mündet, mittels dessen über seinen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen (9, 9') von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen (10) in den Brennraum (4) eingespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzstrahlen (9, 9') derart zum Stufenraum (7) hin geführt und dort umgelenkt werden, dass eine erste Teilmenge (11) von Kraftstoff in einer Axialrichtung (14) und einer Radialrichtung (15) in die Kolbenmulde (6) umgelenkt wird, dass eine zweite Teilmenge (12) von Kraftstoff in der Axialrichtung (14) und der Radialrichtung (15) über den Kolbenboden (5) in den Brennraum (4) umgelenkt wird, und dass eine dritte Teilmenge (13) von Kraftstoff in eine Umfangsrichtung (16) umgelenkt wird, wobei die jeweils dritten Teilmengen (13, 13') benachbarter Einspritzstrahlen (9, 9') in der Umfangsrichtung (16) aufeinandertreffen und anschließend in der Radialrichtung (15) nach innen umgelenkt werden und beidseitig eines Auftreffpunktes (17) der Strahlachse (10) auf den Stufenraum (7) Umlenkmittel (18) im Stufenraum (7) vorgesehen sind, wobei die Umlenkmittel (7) die dritte Teilmenge (13) von Kraftstoff von der Umfangsrichtung (16) in die Radialrichtung (15) nach innen umlenken.Method for operating a direct-injection, self-igniting internal combustion engine, the internal combustion engine having at least one cylinder (1), a piston (2) guided up and down in the cylinder (1), a cylinder head (3) and a piston (3) running through the cylinder (1). (2) and the cylinder head (3) delimited combustion chamber (4), wherein in a piston head (5) of the piston (2) a piston recess (6) is formed, which in the transition area to the piston head (5) in a substantially ring-shaped stepped space (7), and with an injector (8) for fuel opening into the combustion chamber (4), by means of which several injection jets (9, 9') of fuel are distributed over its circumference along conically arranged jet axes (10) into the combustion chamber (4 ) are injected, characterized in that the injection jets (9, 9') are guided to the step chamber (7) and deflected there in such a way that a first partial quantity (11) of fuel flows in an axial direction (14) and a radial direction (15) is deflected into the piston recess (6), that a second partial quantity (12) of fuel is deflected in the axial direction (14) and the radial direction (15) via the piston head (5) into the combustion chamber (4), and that a third partial quantity (13) of fuel is deflected in a circumferential direction (16), the respective third subsets (13, 13') of adjacent injection jets (9, 9') meeting in the circumferential direction (16) and then in the radial direction (15) inwards are deflected and on both sides of an impingement point (17) of the jet axis (10) on the step space (7) deflection means (18) are provided in the step space (7), wherein the deflection means (7) the third subset (13) of fuel from the circumferential direction ( 16) deflect inwards in the radial direction (15).

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine, die zum Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist.The invention relates to a method for operating a direct-injection, self-igniting internal combustion engine having the features according to the preamble of claim 1 and an internal combustion engine which is intended for operation using the method according to the invention.

Aus der DE 196 49 052 A1 ist ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung und mit einer Kolbenmulde bekannt. Die dort gezeigte direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine umfaßt mindestens einen Zylinder, einen im Zylinder auf und ab geführten Kolben, einen Zylinderkopf und einen durch den Zylinder, den Kolben und den Zylinderkopf begrenzten Brennraum. In einen Kolbenboden des Kolbens ist eine Kolbenmulde eingeformt, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden in einen im Wesentlichen ringförmigen Stufenraum übergeht. Ein im Zylinderkopf angeordneter Injektor für Kraftstoff mündet in den Brennraum. Mittels des Injektors werden über dessen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen in den Brennraum eingespritzt.From the DE 196 49 052 A1 a diesel engine with direct injection and with a piston bowl is known. The direct-injection, self-igniting internal combustion engine shown there comprises at least one cylinder, a piston guided up and down in the cylinder, a cylinder head and a combustion chamber delimited by the cylinder, the piston and the cylinder head. A piston recess is formed in a piston crown of the piston, which in the transition area to the piston crown merges into a substantially annular stepped space. A fuel injector located in the cylinder head opens into the combustion chamber. By means of the injector, several injection jets of fuel are injected into the combustion chamber along jet axes arranged in a cone shape, distributed over its circumference.

Der Einspritzstrahl trifft auf den Randbereich der Kolbenmulde. Als Folge davon wird der Strahl im Wesentlichen in zwei Richtungen abgelenkt. Eine erste Teilmenge gelangt bezüglich der Axialrichtung des Zylinders nach unten in die Brennraummulde. Eine zweite Teilmenge breitet sich im Wesentlichen in radialer Richtung über den Kolbenboden in Richtung der Zylinderwand aus. Durch beide Teilmengen wird je eine, also insgesamt zwei Verbrennungsfronten gebildet. Die zweite, sich in Richtung der Zylinderwand ausbreitende Teilmenge von Kraftstoff ist insbesondere hinsichtlich der Ruß- und Stickoxidbildung nicht optimal. Es ist ein erhöhter Rußeintrag ins Motoröl zu beobachten. The injection jet hits the edge area of the piston recess. As a result, the beam is essentially deflected in two directions. A first partial quantity reaches the combustion chamber recess downwards with respect to the axial direction of the cylinder. A second subset spreads out essentially in the radial direction across the piston head in the direction of the cylinder wall. One, i.e. a total of two, combustion fronts is formed by both subsets. The second partial quantity of fuel, which spreads in the direction of the cylinder wall, is not optimal, particularly with regard to the formation of soot and nitrogen oxide. An increased soot entry into the engine oil can be observed.

Aus der DE 35 01 271 C2 ist eine direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Kolbenmulde bekannt. Die Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Zylinder, einen im Zylinder auf und ab geführten Kolben, einen Zylinderkopf und einen durch den Zylinder, den Kolben und den Zylinderkopf begrenzten Brennraum. In einen Kolbenboden des Kolbens ist eine Kolbenmulde eingeformt, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden teilweise in schräg angeordneten Abschnitte übergeht. Ein Injektor für Kraftstoff mündet in den Brennraum, mittels dessen über seinen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen in den Brennraum eingespritzt werden. Der Kraftstoff wird in die Kolbenmulde eingespritzt und trifft auf den Übergangsbereich und wird aufgeteilt in Kraftstoff, der sich in der Kolbenmulde kreisend bewegt und in Kraftstoff, der entlang der schräg angeordneten Abschnitte zur Oberseite des Kolbens strömt.From the DE 35 01 271 C2 a direct-injection, self-igniting internal combustion engine with a piston recess is known. The internal combustion engine comprises at least one cylinder, a piston guided up and down in the cylinder, a cylinder head and a combustion chamber delimited by the cylinder, the piston and the cylinder head. A piston recess is formed in a piston crown of the piston, which in the transition region to the piston crown partially merges into obliquely arranged sections. A fuel injector opens into the combustion chamber, by means of which several injection jets distributed over its circumference are injected into the combustion chamber along jet axes arranged in a conical shape. The fuel is injected into the piston bowl and hits the transition area and is divided into fuel circling in the piston bowl and fuel flowing along the slanted sections to the top of the piston.

Aus der WO 2004/ 057 167 A1 ist eine direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und mit einer Kolbenmulde bekannt. Die Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Zylinder, einen im Zylinder auf und ab geführten Kolben, einen Zylinderkopf und einen durch den Zylinder, den Kolben und den Zylinderkopf begrenzten Brennraum. In einen Kolbenboden des Kolbens ist eine Kolbenmulde eingeformt, die im Übergangsbereich zum Kolbenboden in einen im Wesentlichen ringförmigen Stufenraum übergeht. Ein im Zylinderkopf angeordneter Injektor für Kraftstoff mündet in den Brennraum. Mittels des Injektors werden über dessen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen in den Brennraum eingespritzt. Die Einspritzstrahlen können in bestimmten Lastpunkten auf den Stufenraum treffen. Kraftstoffanteile, die auf den Stufenraum treffen, werden in axialer Richtung zu einem Zylinderkopf hin abgelenkt. Die Verbrennung findet sowohl innerhalb der Kolbenmulde, als auch im Bereich eines Quetschraums statt.From the WO 2004/057167 A1 is a direct-injection, self-igniting internal combustion engine with direct injection and with a piston bowl. The internal combustion engine comprises at least one cylinder, a piston guided up and down in the cylinder, a cylinder head and a combustion chamber delimited by the cylinder, the piston and the cylinder head. A piston recess is formed in a piston crown of the piston, which in the transition area to the piston crown merges into a substantially annular stepped space. A fuel injector located in the cylinder head opens into the combustion chamber. By means of the injector, several injection jets of fuel are injected into the combustion chamber along jet axes arranged in a cone shape, distributed over its circumference. The injection jets can hit the step space at certain load points. Portions of fuel hitting the step room are deflected in an axial direction toward a cylinder head. Combustion takes place both inside the piston bowl and in the area of a squish area.

Aus der US 6 152 101 A ist ein Kolben mit einer Kolbenmulde bekannt. Der Kolben weist einen Stufenraum auf, dessen Umfangswand und Boden des Stufenraums geneigt sein können.From the U.S. 6,152,101 A a piston with a piston bowl is known. The piston has a step room, the peripheral wall and bottom of the step room of which may be sloped.

Aus der DE 102 61 185 A1 ist eine direkteinspritzende Ott-Brennkraftmaschine bekannt. Ein im Zylinderkopf angeordneter Injektor für Kraftstoff mündet in den Brennraum. Mittels des Injektors werden über dessen Umfang verteilt mehrere Einspritzstrahlen von Kraftstoff entlang kegelförmig angeordneter Strahlachsen in den Brennraum eingespritzt.From the DE 102 61 185 A1 a direct-injection Ott internal combustion engine is known. A fuel injector located in the cylinder head opens into the combustion chamber. By means of the injector, several injection jets of fuel are injected into the combustion chamber along jet axes arranged in a cone shape, distributed over its circumference.

Aus der DE 10 2004 020 175 A1 und der DE 196 42 513 A1 sind Injektoren bekannt, deren Einspritzlöcher unterschiedliche Ausformungen und Anordnungen aufweisen können.From the DE 10 2004 020 175 A1 and the DE 196 42 513 A1 injectors are known whose injection holes can have different shapes and configurations.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit verringerter Ruß- und Rauchentwicklung anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for operating a direct-injection, self-igniting internal combustion engine with reduced soot and smoke development.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine direkteinspritzende, selbstzündenden Brennkraftmaschine anzugeben, die für den Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.Furthermore, the invention is based on the object of specifying a direct-injection, self-igniting internal combustion engine that is suitable for operation using the method according to the invention.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.This object is achieved by an internal combustion engine having the features of claim 5.

Es wird vorgeschlagen, dass die Strahlachsen der von dem Injektor erzeugten Einspritzstrahlen zumindest in einem Teil des Zeitraums der Einspritzung auf den Stufenraum des Kolbens gerichtet sind. Die Einspritzstrahlen werden derart zum Stufenraum hin geführt und dort umgelenkt, dass eine erste Teilmenge von Kraftstoff in einer Axialrichtung und einer Radialrichtung in die Kolbenmulde umgelenkt wird. Eine zweite Teilmenge von Kraftstoff wird in der Axialrichtung und der Radialrichtung über den Kolbenboden in den Brennraum umgelenkt, während eine dritte Teilmenge von Kraftstoff in eine Umfangrichtung umgelenkt wird, wobei die jeweils dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Umfangsrichtung aufeinandertreffen und anschließend in der Radialrichtung nach innen umgelenkt werden.It is proposed that the jet axes of the injection jets generated by the injector are directed at the step space of the piston at least in part of the injection period. The injection jets are guided to the step room and deflected there in such a way that a first subset of fuel is deflected in an axial direction and a radial direction into the piston recess. A second subset of fuel is deflected in the axial direction and the radial direction across the piston crown into the combustion chamber, while a third subset of fuel is deflected in a circumferential direction, with the respective third subsets of adjacent injection jets meeting in the circumferential direction and then in the radial direction inwards be redirected.

Ausbildung und Führung der vorgenannten dritten Teilmengen werden durch das Auftreffen der Einspritzstrahlen auf den Stufenraum hervorgerufen. Infolge der Umlenkung in Richtung der Kolbenmuldenmitte wird eine neue, dritte Verbrennungsfront gebildet. Diese bildet sich zwischen den Einspritzstrahlen und somit genau dort aus, wo noch genügend Restsauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung steht. Als Folge davon sinkt die Rußemission.Formation and management of the aforementioned third subsets are brought about by the impingement of the injection jets on the step space. As a result of the deflection in the direction of the center of the piston recess, a new, third combustion front is formed. This forms between the injection jets and thus exactly where there is still enough residual oxygen available for combustion. As a result, soot emissions are reduced.

Da diese dritte Verbrennungsfront zu den beiden anderen Verbrennungsfronten erst zeitverzögert brennt, wird auch die lokale Spitzentemperatur im Brennraum und in der Folge davon die Stickoxidentstehung vermindert. Auch die Rußnachoxidation wird durch diesen Effekt begünstigt.Since this third combustion front burns with a time lag in relation to the other two combustion fronts, the local peak temperature in the combustion chamber and, as a result, the formation of nitrogen oxides are reduced. The soot post-oxidation is also favored by this effect.

Sofern die Brennkraftmaschine zur Stickoxidreduktion mit zurückgeführtem Abgas betrieben wird, erhält man durch die zweimalige Umlenkung der Kraftstoffteilchen im Stufenraum - also eine erste Umlenkung in die Umfangsrichtung und anschließend eine zweite Umlenkung radial nach innen - einen zusätzlichen Durchmischungseffekt, der auch das zurückgeführte, nahezu inerte Abgas besser mit Sauerstoff und Kraftstoff durchmischt. Die Entstehung lokaler Temperaturspitzen ist vermindert, womit auch die Stickoxidemission abnimmt.If the internal combustion engine is operated with recirculated exhaust gas to reduce nitrogen oxides, the double deflection of the fuel particles in the step chamber - i.e. a first deflection in the circumferential direction and then a second deflection radially inwards - results in an additional mixing effect, which also causes the almost inert exhaust gas that is recirculated better mixed with oxygen and fuel. The occurrence of local temperature peaks is reduced, which also reduces nitrogen oxide emissions.

Für eine wirkungsvolle Ausbildung der drei Verbrennungsfronten müssen der Strahlkegelwinkel, der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer untereinander und auf den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine abgestimmt werden, dass zumindest ein beträchtlicher Anteil der Einspritzstrahlen von Kraftstoff auf den Stufenraum auftrifft. Diese Abstimmung wird bevorzugt derart getroffen, dass mindestens 30%, insbesondere einschließlich 30% bis einschließlich 80% der eingespritzten Kraftstoffmenge auf den Stufenraum trifft. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt zweckmäßig mit einem Druck > 1700 bar, bevorzugt > 2000 bar, und insbesondere mit etwa 2150 bar. Für eine wirkungsvolle Ausbildung der dritten Verbrennungsfront hat sich eine Abstimmung als zweckmäßig herausgestellt, bei der die jeweils dritten Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Umfangsrichtung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s, insbesondere von 30 m/s aufeinandertreffen.For an effective development of the three combustion fronts, the jet cone angle, the start of injection and the injection duration must be coordinated with each other and with the crank angle of the internal combustion engine so that at least a significant proportion of the fuel injection jets strike the step space. This adjustment is preferably made in such a way that at least 30%, in particular 30% up to and including 80% of the injected fuel quantity impinges on the step space. The fuel is expediently injected at a pressure of >1700 bar, preferably >2000 bar, and in particular at approximately 2150 bar. For an effective formation of the third combustion front, it has been found expedient to coordinate the respective third subsets of adjacent injection jets in the circumferential direction at a speed of at least 15 m/s, in particular 30 m/s.

Für eine wirkungsvolle Ausbildung und Umlenkung der dritten Teilmengen ist eine Wand des Stufenraumes bevorzugt im Querschnitt konkav als Kreisbogenausschnitt oder als Ellipsenausschnitt mit einem Radius ausgebildet, der in einen Bereich von einschließlich 3% bis einschließlich 30% eines Radius der Kolbenmulde liegt.For effective formation and deflection of the third subsets, a wall of the step chamber is preferably concave in cross-section as a circular arc segment or as an elliptical segment with a radius ranging from 3% to 30% inclusive of a radius of the piston recess.

Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, dass die Wand des Stufenraumes im Querschnitt durch eine gerade Umfangswand, einen geraden Boden und eine konkav gekrümmte Übergangswand gebildet ist, wobei die Umfangswand gegenüber einer Axialrichtung in einem Bereich von einschließlich +10° bis einschließlich -30° geneigt ist, und/oder wobei der Boden gegenüber einer Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich +30° bis einschließlich -40° geneigt ist und/oder wobei die konkav gekrümmte Übergangswand einen Radius in einem Bereich von einschließlich 1,5% bis einschließlich 20% des Radius der Kolbenmulde aufweist.Alternatively, it can also be expedient for the wall of the step space to be formed in cross section by a straight peripheral wall, a straight bottom and a concavely curved transition wall, the peripheral wall being inclined relative to an axial direction in a range from +10° to -30° inclusive and/or wherein the base is inclined relative to a radial direction in a range from +30° to -40° inclusive and/or wherein the concavely curved transition wall has a radius in a range from 1.5% to 20% inclusive of the Has radius of the piston bowl.

Eine Höhe des Stufenraumes in der Axialrichtung liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 30% des Radius der Kolbenmulde, wobei eine Breite des Stufenraumes in der Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 30% des Radius der Kolbenmulde liegt.A height of the step room in the axial direction is preferably in a range of 10% to 30% inclusive of the radius of the piston bowl, with a width of the step room in the radial direction being in a range of 2% to 30% inclusive of the radius of the piston bowl.

Für eine wirkungsvolle Umlenkung der jeweiligen dritten Teilmengen von Kraftstoff aus der Umfangsrichtung in die Radialrichtung sind vorteilhaft beidseitig eines Auftreffpunktes der Strahlachse auf den Stufenraum Umlenkmittel im Stufenraum angeordnet. Sie begünstigen eine aerodynamisch saubere, verlustarme Führung der jeweiligen dritten Teilmengen von Kraftstoff.For an effective deflection of the respective third subsets of fuel from the circumferential direction into the radial direction, deflection means are advantageously arranged in the step space on both sides of a point of impact of the jet axis on the step space. They favor an aerodynamically clean, low-loss guidance of the respective third subsets of fuel.

Die Umlenkmittel sind zweckmäßig als in der Radialrichtung und der Axialrichtung nach innen von der Wand des Stufenraumes aus und in Richtung der Kolbenmulde bzw. des Brennraumes hervorstehende Ablenknasen ausgebildet. Diese können im nahezu beliebigen geometrischen Formen in den Kolben eingeformt werden. Insbesondere bei einteiliger gußtechnischer Ausbildung kann ohne zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand eine strömungstechnisch günstig angepaßte Richtungsumlenkung verwirklicht werden.The deflection means are expediently designed as deflection lugs that protrude inward in the radial direction and the axial direction from the wall of the step chamber and in the direction of the piston recess or the combustion chamber. These can be molded into the piston in almost any geometric shape. Especially with one-piece cast technical training can without add chen manufacturing effort a flow technically favorable adapted directional deflection can be realized.

Hierzu geht der Stufenraum in der Umfangsrichtung und der Radialrichtung bevorzugt kreisbogenförmig konkav in die Ablenknase über. Der kreisbogenförmige Übergang weist zweckmäßig einen Radius auf, der in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 50% des Radius der Kolbenmulde liegt.For this purpose, the step space transitions into the deflection nose in the circumferential direction and the radial direction, preferably in a concave manner in the shape of a circular arc. The transition in the form of a circular arc expediently has a radius which lies in a range from 5% up to and including 50% of the radius of the piston recess.

Alternativ kann es vorteilhaft sein, dass der Stufenraum in der Umfangsrichtung und der Radialrichtung elliptisch konkav in die Ablenknase übergeht. Hierbei weist der elliptische Übergang bevorzugt eine kleine Halbachse und eine große Halbachse auf, wobei die kleine Halbachse in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 25% und die große Hablachse in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 60% des Radius der Kolbenmulde liegt. Auch hierdurch wird eine strömungstechnisch günstige Umlenkung der dritten Kraftstoff-Teilmenge von der Umfangsrichtung radial nach innen erreicht.Alternatively, it can be advantageous for the step space to merge into the deflection nose in an elliptically concave manner in the circumferential direction and the radial direction. The elliptical transition preferably has a semi-minor axis and a semi-major axis, with the semi-minor axis being in a range of 2% up to and including 25% and the major semi-axis being in a range of 10% up to and including 60% of the radius of the piston recess . This also achieves a flow-wise favorable deflection of the third partial quantity of fuel from the circumferential direction radially inwards.

Zur Unterstützung der Strömungsführung ist zweckmäßig vorgesehen, dass eine Höhe der Ablenknase in der Axialrichtung in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Höhe des Stufenraumes liegt, dass eine Breite der Ablenknase in der Radialrichtung in einem Bereich von einschließlich 60 % bis einschließlich 100% der Breite des Stufenraumes liegt, und dass eine axiale Stirnfläche der Ablenknase um einen Winkel in einem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 40° gegenüber der Radialrichtung nach innen in die Kolbenmulde hineingeneigt ist.To support flow guidance, it is expedient for the height of the deflection nose in the axial direction to be in a range from 60% to 100% inclusive of the height of the step space, and for the width of the deflection nose in the radial direction to be in a range from 60% to 100% inclusive 100% of the width of the step room, and that an axial face of the deflector lobe is inclined inwardly into the piston bowl at an angle in a range from 0° to 40° inclusive with respect to the radial direction.

Für eine gleichmäßige Ausbildung der drei Verbrennungsfronten und eine gute Durchmischung weist der Injektor vorteilhaft über seinen Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt 7 bis 12, bevorzugt 8 bis 10 Einspritzlöcher auf. Für die Ausbildung von präzise geformten Einspritzstrahlen und ein gleichmäßiges Auftreffen auf den Stufenraum weisen die jeweiligen Einspritzlöcher des Injektors eine Länge und einen Durchmesser auf, wobei das Verhältnis der Länge zum Durchmesser in einem Bereich von einschließlich 3,0 bis einschließlich 11,0 liegt. Alle Strahlachsen der Einspritzstrahlen sind dabei zweckmäßig auf einem einzigen, gemeinsamen Kegelmantel angeordnet.For a uniform development of the three combustion fronts and good mixing, the injector advantageously has 7 to 12, preferably 8 to 10, injection holes distributed particularly uniformly over its circumference. In order to provide precisely shaped injection jets and uniform step room impingement, the injector's respective injection holes have a length and diameter with a length to diameter ratio ranging from 3.0 to 11.0 inclusive. All jet axes of the injection jets are expediently arranged on a single, common cone surface.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Kolben, einem Zylinderkopf und einem Brennraum sowie mit Einzelheiten zur Ausbildung eines in Teilmengen aufgeteilten Einspritzstrahls;
2 eine Detailansicht des Kolbens nach 1 mit Einzelheiten zur geometrischen Ausbildung seines Stufenraumes mit einem kreisabschnittförmigen Querschnitt;
3 eine Variante des Stufenraumes mit einem abgewinkelten Querschnitt;
4 ausschnittsweise eine Draufsicht des Kolbens nach 1 mit eingeformten Ablenknasen;
5 eine Detailansicht des Kolbens nach 4 in dem dort entlang der Linie V-V angedeuteten Querschnitt mit Einzelheiten zur geometrischen Ausbildung des Stufenraumes und der Ablenknase;
6 eine Variante der Ablenknase nach den 4 und 5 mit elliptisch konkaver Rundung;
7 in einer ausschnittsweisen Draufsicht einen Kolben mit darauf abgebildetem Ausbreitungsverläufen von Einspritzstrahlen nach dem Beginn der Einspritzung;
8 die Anordnung nach 7 nach weiter fortgeschrittener Kraftstoffeinspritzung mit in Umfangsrichtung aufeinander getroffenen dritten Kraftstoff-Teilmengen;
9 ein weiteres Phasenbild der Kraftstoffausbreitung nach den 7 und 8 mit radial nach innen umgelenkten dritten Teilmengen von Kraftstoff;
10 eine perspektivische Ansicht der Kraftstoffverteilung nach 9 mit Einzelheiten zur Ausbildung von drei Verbrennungsfronten.

An embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the drawing. Show it:

1 in a schematic longitudinal sectional view, the cylinder of an internal combustion engine according to the invention with a piston, a cylinder head and a combustion chamber and with details of the formation of an injection jet divided into subsets;
2 a detailed view of the piston 1 with details of the geometric design of its stepped space with a cross-section in the shape of a segment of a circle;
3 a variant of the step room with an angled cross section;
4 a detail of a top view of the piston 1 with molded deflection lugs;
5 a detailed view of the piston 4 in the cross section indicated there along the line VV with details of the geometric design of the step space and the deflection nose;
6 a variant of the deflection nose after the 4 and 5 with elliptically concave curve;
7 in a sectional top view, a piston with propagation patterns of injection jets after the start of injection depicted thereon;
8th according to the arrangement 7 after more advanced fuel injection with circumferentially-meshed third fuel portions;
9 Another phased image of the fuel spread after the 7 and 8th having third portions of fuel diverted radially inward;
10 a perspective view of the fuel distribution 9 with details of the formation of three combustion fronts.

1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine erfindungsgemäß ausgeführte direkteinspritzende, selbstzündende Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinders 1, in dem ein Kolben 2 auf und ab geführt ist. Es ist beispielhaft nur ein Zylinder 1 gezeigt. Die Brennkraftmaschine kann eine beliebige Anzahl von entsprechend ausgestalteten Zylindern 1 aufweisen, in denen jeweils das nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a direct-injection, self-igniting internal combustion engine designed according to the invention in the area of a cylinder 1, in which a piston 2 is guided up and down. Only one cylinder 1 is shown as an example. The internal combustion engine can have any number of appropriately designed cylinders 1, in each of which the method according to the invention described below is carried out.

Ein angedeuteter Zylinderkopf 3 begrenzt zusammen mit dem Zylinder 1 und dem Kolben 2 einen Brennraum 4. Im Zylinderkopf 3 ist ein angedeuteter Injektor zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, angeordnet.An indicated cylinder head 3 delimits a combustion chamber 4 together with the cylinder 1 and the piston 2. An indicated injector for injecting liquid fuel, in particular diesel fuel, is arranged in the cylinder head 3.

Der Kolben 2 weist auf seiner dem Brennraum 4 zugewandten Seite einen Kolbenboden 5 auf, in den eine Kolbenmulde 6 eingeformt ist. Die Kolbenmulde 6 geht bezogen auf eine Radialrichtung 15 außen im Übergangsbereich zum Kolbenboden 5 in einen im Wesentlichen ringförmigen Stufenraum 7 über. Die gezeigte Anordnung ist insgesamt rotationssymmetrisch zu einer Zylinderachse 26 aufgebaut, wobei die Zylinderachse 26 eine Axialrichtung 14 vorgibt. Senkrecht zur Axialrichtung 14 liegt die Radialrichtung 15.The piston 2 has on its side facing the combustion chamber 4 a piston crown 5 into which a piston recess 6 is formed. The Relative to a radial direction 15 , the piston recess 6 transitions into a substantially ring-shaped stepped space 7 on the outside in the transition area to the piston crown 5 . The arrangement shown is constructed overall in a rotationally symmetrical manner with respect to a cylinder axis 26 , with the cylinder axis 26 specifying an axial direction 14 . The radial direction 15 is perpendicular to the axial direction 14.

Der Injektor weist über seinen Umfang gleichmäßig verteilt Einspritzlöcher 25 auf, von denen der besseren Übersichtlichkeit halber hier nur ein Einspritzloch 25 dargestellt ist. Die Einspritzlöcher 25 des Injektors 8 weisen eine Länge L und einen Durchmesser D auf, wobei das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser D in einem Bereich von einschließlich 3,0 bis 11,0 liegt. Eine Mittelachse der Einspritzlöcher 25 ist gegenüber der Radialrichtung 15 schräg nach unten zum Kolben 2 geneigt. Beim Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzlöcher 25 entsteht jeweils ein schematisch angedeuteter Einspritzstrahl 9, deren Strahlachsen 10 kegelförmig angeordnet sind. Es kann zweckmäßig sein, für die verschiedenen Strahlachsen 10 unterschiedliche Kegelwinkel α vorzusehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen alle Strahlachsen 10 der Einspritzstrahlen 9 auf einem einzigen gemeinsamen Kegelmantel mit einem konstanten Kegelwinkel a.The injector has injection holes 25 distributed uniformly over its circumference, of which only one injection hole 25 is shown here for the sake of clarity. The injection holes 25 of the injector 8 have a length L and a diameter D, the ratio of the length L to the diameter D being in a range from 3.0 to 11.0 inclusive. A central axis of the injection holes 25 is inclined obliquely downwards toward the piston 2 with respect to the radial direction 15 . When fuel is injected through the injection holes 25, a schematically indicated injection jet 9 is formed, the jet axes 10 of which are arranged in a cone shape. It can be expedient to provide different cone angles α for the different beam axes 10 . In the exemplary embodiment shown, all jet axes 10 of the injection jets 9 lie on a single common cone surface with a constant cone angle α.

Abhängig vom Kurbelwinkel nimmt der Kolben 2 in der Axialrichtung 14 verschiedene Positionen relativ zum Zylinderkopf 3 bzw. zum Injektor 8 und dessen Strahlachsen 10 ein. Der Kegelwinkel α der kegelförmig angeordneten Strahlachsen 10, Einspritzbeginn und Einspritzdauer sind derart aufeinander bzw. auf den Kurbelwinkel und damit auf die axiale Position des Kolbens 2 abgestimmt, dass die Strahlachsen 10 zumindest über einen bedeutsamen Teil des Zeitraums der Einspritzung auf den Stufenraum 7 gerichtet sind. Dort treffen sie in einem Auftreffpunkt 17 auf den Stufenraum 7. Die vorgenannte Abstimmung ist derart gewählt, dass mindestens 30%, insbesondere einschließlich 30% bis einschließlich 80% der eingespritzten Kraftstoffmenge der Einspritzstrahlen 9 auf den Stufenraum 7 auftrifft.Depending on the crank angle, the piston 2 assumes different positions in the axial direction 14 relative to the cylinder head 3 or to the injector 8 and its jet axes 10 . The cone angle α of the conically arranged jet axes 10, the start of injection and the duration of injection are matched to one another or to the crank angle and thus to the axial position of the piston 2 in such a way that the jet axes 10 are directed at the step chamber 7 at least over a significant part of the injection period . There they meet the stepped space 7 at an impact point 17 . The aforementioned tuning is chosen such that at least 30%, in particular 30% up to and including 80% of the injected fuel quantity of the injection jets 9 strikes the stepped space 7 .

Die weiter unten näher beschriebene Ausbildung des Stufenraumes in Verbindung mit der vorgenannten Abstimmung bewirkt eine Aufteilung und Umlenkung der Einspritzstrahlen 9 in erste Teilmengen 11, zweite Teilmengen 12 und dritte, in den 7 bis 10 gezeigte Teilmengen 13. Die erste Teilmenge 11 von Kraftstoff wird in der Axialrichtung 14 und der Radialrichtung 15 vom Zylinderkopf 3 weg nach unten in die Kolbenmulde 6 und dort in der Radialrichtung 15 nach innen in Richtung zur Zylinderachse 26 umgelenkt. Die zweite Teilmenge 12 von Kraftstoff wird teilweise in der Radialrichtung 15 nach außen über den Kolbenboden 5 sowie zum anderen Teil aus dem Stufenraum 7 heraus in der Axialrichtung 14 nach oben zum Zylinderkopf 3 sowie in der Radialrichtung 15 nach außen über den Kolbenboden 5 in den Brennraum 4 hinein in Richtung der Wand des Zylinders 1 umgelenkt. Weitere Einzelheiten zur Kraftstofführung sind weiter unten im Zusammenhang mit den 7 bis 10 näher beschrieben.The formation of the step space, described in more detail below, in connection with the above-mentioned vote causes a division and deflection of the injection jets 9 into first subsets 11, second subsets 12 and third, in the 7 until 10 Subsets 13 shown. The first subset 11 of fuel is deflected in the axial direction 14 and the radial direction 15 away from the cylinder head 3 downwards into the piston recess 6 and there in the radial direction 15 inwards towards the cylinder axis 26 . The second subset 12 of fuel is partly in the radial direction 15 outwards over the piston crown 5 and partly out of the step chamber 7 in the axial direction 14 upwards to the cylinder head 3 and in the radial direction 15 outwards over the piston crown 5 into the combustion chamber 4 deflected in towards the wall of the cylinder 1. More details on fuel routing are below in connection with 7 until 10 described in more detail.

2 zeigt eine Detailansicht des Kolbens 2 nach 1 im Bereich der Kolbenmulde 6 und des Stufenraums 7. Der Stufenraum 7 ist in der Radialrichtung 15 nach außen und in der Axialrichtung 14 nach unten vom Kolbenboden 5 fortweisend durch eine gerundete Wand 19 begrenzt. Die Wand 19 des Stufenraums 7 ist im Querschnitt konkav als Kreisbogenausschnitt ausgeführt. Ein Radius R₂ des Kreisbogenausschnitts liegt im Bereich von einschließlich 3% bis einschließlich 30% eines Radius R₁ der Kolbenmulde 6. Der Radius R₁ der Kolbenmulde 6 ist von der Zylinderachse 26 aus gemessen und umfaßt die gesamte Kolbenmulde 6 einschließlich des Stufenraums 7. 2 shows a detailed view of the piston 2 after 1 in the region of the piston recess 6 and the stepped space 7. The stepped space 7 is delimited outwards in the radial direction 15 and downwards in the axial direction 14, away from the piston head 5, by a rounded wall 19. The wall 19 of the step space 7 has a concave cross-section as an arc of a circle. A radius R ₂ of the circular arc segment is in the range of 3% up to and including 30% of a radius R ₁ of the piston bowl 6. The radius R ₁ of the piston bowl 6 is measured from the cylinder axis 26 and encompasses the entire piston bowl 6 including the step chamber 7.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein konstanter Radius R₂ vorgesehen. Es kann auch eine elliptische Ausführung zweckmäßig sein, deren große und kleine Radien zweckmäßig in dem zuvor angegebenen Bereich liegen.In the embodiment shown, a constant radius R ₂ is provided. An elliptical design can also be expedient, the large and small radii of which are expediently in the range specified above.

3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Stufenraums 7 nach 2. Demnach ist der Querschnitt des Stufenraums 7 winklig ausgeführt. Die Wand 19 des Stufenraumes 7 ist durch eine in der Axialrichtung 14 gerade, zylindrische Umfangswand 20, durch einen in der Radialrichtung 15 geraden, ebenen Boden 21 sowie durch eine konkav gekrümmte Übergangswand 22 gebildet. Der Boden 21 geht mittels der Übergangswand 22 in die Umfangswand 20 über. Die konkav gekrümmte Übergangswand 22 weist einen Radius R₃ auf, der in einem Bereich von einschließlich 1,5% bis einschließlich 20% des Radius R₁ der Kolbenmulde 6 liegt. 3 12 shows an alternative embodiment of the step room 7. FIG 2 . Accordingly, the cross section of the step space 7 is angled. The wall 19 of the step space 7 is formed by a cylindrical circumferential wall 20 that is straight in the axial direction 14 , by a flat bottom 21 that is straight in the radial direction 15 , and by a transition wall 22 that is concavely curved. The base 21 transitions into the peripheral wall 20 by means of the transition wall 22 . The concavely curved transition wall 22 has a radius R ₃ which is in a range from 1.5% up to and including 20% of the radius R ₁ of the piston recess 6 .

Die Umfangswand 20 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Axialrichtung 14, während der Boden 21 parallel zur Radialrichtung 15 liegt. Mit + und - versehene Doppelpfeile deuten an, dass es auch zweckmäßig sein kann, für die Umfangswand 20 und/oder den Boden 21 eine Neigung vorzusehen. Die Umfangswand 20 ist dabei vorteilhaft gegenüber der Axialrichtung 14 in einem Bereich von einschließlich +10° bis einschließlich -30° geneigt. Der Boden 21 ist zweckmäßig gegenüber der Radialrichtung 15 in einem Bereich von einschließlich +30° bis einschließlich -40° geneigt.In the exemplary embodiment shown, the peripheral wall 20 lies parallel to the axial direction 14 , while the bottom 21 lies parallel to the radial direction 15 . Double arrows marked + and - indicate that it can also be expedient to provide an incline for the peripheral wall 20 and/or the bottom 21 . The peripheral wall 20 is advantageously inclined relative to the axial direction 14 in a range from +10° to -30° inclusive. The base 21 is expediently inclined relative to the radial direction 15 in a range from +30° to -40° inclusive.

4 zeigt ausschnittsweise eine Draufsicht des Kolbens 2 nach 1. In dieser Draufsicht ist zu erkennen, dass die Kolbenmulde 6, der Stufenraum 7 und der Kolbenboden 5 etwa kreisförmig koaxial zur Zylinderachse 26 angeordnet sind. Bezogen auf die Zylinderachse 26 ist eine Umfangsrichtung durch einen Doppelpfeil 16 angegeben. 4 shows a detail of a top view of the piston 2 1 . In this plan view it can be seen that the piston recess 6, the step space 7 and the piston head 5 are arranged in an approximately circular manner coaxially to the cylinder axis 26 . A circumferential direction is indicated by a double arrow 16 in relation to the cylinder axis 26 .

Von der Vielzahl der vorgesehenen Einspritzstrahlen 9 sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur zwei benachbarte Einspritzstrahlen 9, 9' dargestellt, deren Strahlachsen 10, 10' in Auftreffpunkten 17, 17' auf den Stufenraum 7 auftreffen. In der Umfangsrichtung 16 sind mittig zwischen den Auftreffpunkten 17, 17' Umlenkmittel 18 im Stufenraum 7 angeordnet, deren Funktion weiter unten im Zusammenhang mit den 8 bis 10 näher beschrieben wird. Die Umlenkmittel 18 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als in der Radialrichtung 15 nach innen von der Wand des Stufenraums 7 aus in Richtung der Kolbenmulde 6 hervorstehende Ablenknasen 23 ausgebildet. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine Ablenknase 23 dargestellt. Im Zwischenraum zwischen jedem Auftreffpunkt 17, 17' sämtlicher Einspritzstrahlen 9, 9' ist je eine Ablenknase 23 mittig angeordnet, demnach beidseitig eines jeden Auftreffpunktes 17, 17' je eine Ablenknase 23 liegt. Die Anzahl der Ablenknasen 23 entspricht damit der Anzahl der Einspritzstrahlen 9, 9'.Of the plurality of injection jets 9 provided, only two adjacent injection jets 9, 9′ are shown for the sake of clarity, the jet axes 10, 10′ of which impinge on the step space 7 at impingement points 17, 17′. In the circumferential direction 16 are arranged centrally between the impact points 17, 17 'deflecting means 18 in the step space 7, their function below in connection with 8th until 10 is described in more detail. In the exemplary embodiment shown, the deflection means 18 are designed as deflection lugs 23 that protrude inward in the radial direction 15 from the wall of the step chamber 7 in the direction of the piston recess 6 . For the sake of clarity, only one deflection nose 23 is shown here. In the intermediate space between each impact point 17, 17' of all injection jets 9, 9', a deflection nose 23 is arranged centrally, so that there is a deflection nose 23 on both sides of each impact point 17, 17'. The number of deflection noses 23 thus corresponds to the number of injection jets 9, 9'.

Bezogen auf die Ebene der Umfangsrichtung 16 und der Radialrichtung 15 geht die Wand des Stufenraums 7 kreisbogenförmig konkav in die Ablenknase 23 über. Der kreisbogenförmige Übergang ist in der durch die Radialrichtung 15 und die Umfangsrichtung 16 aufgespannten Ebene mit einem Radius R₄ versehen. Der Radius R₄ des kreisbogenförmigen Übergangs liegt in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 50% des Radius R₁ der Kolbenmulde 6.Relative to the plane of the circumferential direction 16 and the radial direction 15, the wall of the stepped space 7 merges concavely into the deflection nose 23 in the shape of a circular arc. The arcuate transition is provided with a radius R ₄ in the plane spanned by the radial direction 15 and the circumferential direction 16 . The radius R ₄ of the arcuate transition is in a range of 5% up to and including 50% of the radius R ₁ of the piston recess 6.

5 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Anordnung nach 4 entlang der dort mit Pfeilen V-V angegebenen Schnittführung. Demnach steht die Ablenknase 23 in der Radialrichtung 15 nach innen und in der Axialrichtung 14 nach oben über der Wand 19 des Stufenraums 7 hervor und ragt in Richtung der Kolbenmulde 6 bzw. in Richtung des Brennraums 4. 5 shows a cross-sectional view of the arrangement 4 along the incision indicated there by arrows VV. Accordingly, the deflection lug 23 projects inwards in the radial direction 15 and upwards in the axial direction 14 over the wall 19 of the step chamber 7 and projects in the direction of the piston recess 6 or in the direction of the combustion chamber 4.

Eine in der Axialrichtung 14 gemessene Höhe h des Stufenraumes 7 liegt in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 30% des Radius R₁ der Kolbenmulde 6 (4). Eine in der Radialrichtung 15 gemessene Breite b des Stufenraumes 7 liegt in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 30% des Radius R₁ der Kolbenmulde 6 (4).A height h of the step chamber 7 measured in the axial direction 14 is in a range of 10% up to and including 30% of the radius R ₁ of the piston recess 6 ( 4 ). A width b of the step space 7 measured in the radial direction 15 is in a range of 2% up to and including 30% of the radius R ₁ of the piston recess 6 ( 4 ).

Eine in der Axialrichtung 14 gemessene Höhe h₁ der Ablenknase 23 liegt in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Höhe h des Stufenraumes 7. Eine in der Radialrichtung 15 gemessene Breite b₁ der Ablenknase 23 liegt in einem Bereich von einschließlich 60% bis einschließlich 100% der Breite b des Stufenraumes 7. Bezogen auf die Axialrichtung 14 ist die Ablenknase 23 in Richtung des Brennraums 4 durch eine im Wesentlichen ebene axiale Stirnfläche 24 begrenzt. Die Stirnfläche 24 der Ablenknase 23 ist um einen Winkel β gegenüber der Radialrichtung 15 nach innen in die Kolbenmulde 6 hinein bzw. vom Brennraum 4 fortweisend geneigt. Der Winkel β der Stirnfläche 24 liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 40° gegenüber der Radialrichtung 15.A height h ₁ of the deflection lug 23 measured in the axial direction 14 is in a range of 60% up to and including 100% of the height h of the step space 7. A width b ₁ of the deflection lug 23 measured in the radial direction 15 is in a range of 60 inclusive % up to and including 100% of the width b of the step space 7. In relation to the axial direction 14, the deflection lug 23 is delimited in the direction of the combustion chamber 4 by a substantially flat axial end face 24. The end face 24 of the deflection nose 23 is inclined at an angle β relative to the radial direction 15 inwards into the piston recess 6 or away from the combustion chamber 4 . The angle β of the end face 24 is preferably in a range from 0° to 40° inclusive with respect to the radial direction 15.

6 zeigt noch eine Variante der Ablenknase 23 nach 4. Demnach geht der Stufenraum 7 in der Umfangsrichtung 16 elliptisch konkav in die Ablenknase 23 über. Der elliptische Übergang weist eine kleine Halbachse R₅ und eine große Halbachse R₆ auf, wobei die kleine Halbachse R₅ in einem Bereich von einschließlich 2% bis einschließlich 25% und die große Halbachse R₆ in einem Bereich von einschließlich 10% bis einschließlich 60% des Radius R₁ der Kolbenmulde 6 (4) liegt. In den übrigen Merkmalen und Bezugszeichen stimmt die Anordnung nach 6 mit der nach 4 überein. 6 shows another variant of the deflection nose 23 4 . Accordingly, the step space 7 merges into the deflection nose 23 in an elliptically concave manner in the circumferential direction 16 . The elliptical transition has a semi-minor axis R ₅ and a semi-major axis R ₆ , with the semi-minor axis R ₅ in a range from 2% to 25% inclusive and the semi-major axis R ₆ in a range from 10% to 60% inclusive % of the radius R ₁ of the piston bowl 6 ( 4 ) lies. The arrangement is the same for the other features and reference symbols 6 with the after 4 match.

Die 7 bis 9 zeigen ausschnittsweise den Zylinder 1 mit dem darin geführten Kolben 2 in verschiedenen zeitlichen Phasen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. Es ist jeweils in der Umfangsrichtung 16 ein Drittel vom Zylinder 1 mit dem Kolben 2 gezeigt. The 7 until 9 show sections of the cylinder 1 with the piston 2 guided therein in different temporal phases of the operating method according to the invention. A third of the cylinder 1 with the piston 2 is shown in the circumferential direction 16 .

Der Injektor 8 (1) weist über seinen Umfang gleichmäßig verteilt sieben bis zwölf, bevorzugt acht bis zehn Einspritzlöcher 25 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind neun Einspritzlöcher 25 (1) vorgesehen, demnach in dem in den 7 bis 8 gezeigten Drittel drei Einspritzstrahlen 9, 9' von eingespritztem Dieselkraftstoff ausgebildet sind.The injector 8 ( 1 ) has seven to twelve, preferably eight to ten, injection holes 25 distributed uniformly over its circumference. In the embodiment shown, nine injection holes 25 ( 1 ) provided, therefore in the in the 7 until 8th shown third three injection jets 9, 9 'of injected diesel fuel are formed.

7 zeigt den Zustand der Kraftstoffeinspritzung bzw. der Ausbildung der Einspritzstrahlen 9, 9' etwa 20° Kurbelwinkel nach Spritzbeginn. Demnach sind die Einspritzstrahlen 9, 9' zu diesem Zeitpunkt bereits auf den Stufenraum 7 aufgetroffen und in drei Teilmengen 11, 12, 13 aufgeteilt. Die erste Teilmenge 11 von Kraftstoff ist entgegen der Radialrichtung 15 zurück zur Zylinderachse 16 und dabei nach unten in die Kolbenmulde 6 hinein umgelenkt. Ihre Ausbreitung erfolgt dabei unterhalb (bezogen auf die Ansicht nach den 7 bis 9) der Einspritzstrahlen 9, 9' entgegen deren Einspritzrichtung in der Radialrichtung 15. Die zweite Teilmenge 12 von Kraftstoff ist in der Radialrichtung 15 aus dem Stufenraum 7 heraus über den Kolbenboden 5 verlaufend radial nach außen umgelenkt. 7 shows the state of the fuel injection or the formation of the injection jets 9, 9' about 20° crank angle after the start of injection. Accordingly, the injection jets 9, 9' have already hit the step space 7 at this point in time and are divided into three subsets 11, 12, 13. The first partial quantity 11 of fuel is deflected back to the cylinder axis 16 counter to the radial direction 15 and in the process downwards into the piston recess 6 . Their propagation takes place below (related to the view according to the 7 until 9 ) of the injection jets 9, 9′ against their injection direction in the radial direction 15. The second subset 12 of fuel is deflected in the radial direction 15 out of the stepped space 7 over the piston head 5, radially outwards.

Darüber hinaus bewirkt das Auftreffen der Einspritzstrahlen 9, 9' auf den Stufenraum 7, dass eine dritte Teilmenge 13 vom Kraftstoff der jeweiligen Einspritzstrahlen 9, 9' gebildet wird. Diese dritten Teilmengen 13, 13' werden aus der Radialrichtung 15 der Einspritzstrahlen 9, 9' beim Auftreffen auf den Stufenraum 7 beidseitig in die Umfangsrichtung 16 umgelenkt, so dass die jeweils dritten Teilmengen 13, 13' benachbarter Einspritzstrahlen 9, 9' aufeinander zulaufen. In ihrem Treffpunkt sind die Umlenkmittel 18 bzw. die Ablenknasen 23 (4 bis 6) angeordnet, die in den 7 bis 10 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Im Übrigen kann es auch zweckmäßig sein, auf die Umlenkmittel 18 bzw. die Ablenknasen 23 (4 bis 6) zu verzichten.In addition, the impingement of the injection jets 9, 9′ on the step chamber 7 causes a third subset 13 of the fuel of the respective injection jets 9, 9′ to be formed. These third subsets 13, 13′ are deflected from the radial direction 15 of the injection jets 9, 9′ on both sides into the circumferential direction 16 when they hit the step space 7, so that the respective third subsets 13, 13′ of adjacent injection jets 9, 9′ converge. The deflection means 18 or the deflection noses 23 ( 4 until 6 ) arranged in the 7 until 10 are not shown for the sake of clarity. Moreover, it can also be expedient to refer to the deflection means 18 or the deflection lugs 23 ( 4 until 6 ) to renounce.

8 zeigt als nachfolgendes Phasenbild die Anordnung nach 7 etwa 25° Kurbelwinkel nach dem Spritzbeginn. Die Ausbildung und Umlenkung der dritten Teilmenge 13, 13' in die Umfangsrichtung 16 hat dazu geführt, dass die jeweils dritten Teilmengen 13, 13' benachbarter Einspritzstrahlen 9, 9' in der Umfangsrichtung 16 aufeinandergetroffen sind. Sofern Umlenkmittel 18 bzw. Ablenknasen 23 (4 bis 6) vorgesehen sind, findet an deren Ort das Zusammentreffen der benachbarten Teilmengen 13, 13' statt. Die Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes zur Ausbildung der Einspritzstrahlen 9, 9' erfolgt mit einem Druck > 1700 bar, bevorzugt > 2000 bar und wird im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere mit etwa 2150 bar durchgeführt. In Verbindung mit der geometrischen Auslegung der Einspritzlöcher 25 (1) und die gegenseitige Abstimmung vom Kegelwinkel α (1), Einspritzbeginn, Einspritzdauer und geometrischer Auslegung der Kolbenmulde 6 und des Stufenraums 7 treffen die jeweils dritten Teilmengen 13, 13' der benachbarten Einspritzstrahlen 9, 9' in der Umfangsrichtung 16 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 15 m/s, hier bevorzugt von etwa 30 m/s aufeinander. 8th shows the arrangement as the following phase diagram 7 about 25° crank angle after the start of injection. The formation and deflection of the third subset 13, 13' in the circumferential direction 16 has resulted in the respective third subsets 13, 13' of adjacent injection jets 9, 9' meeting in the circumferential direction 16. If deflection means 18 or deflection noses 23 ( 4 until 6 ) are provided, the meeting of the adjacent subsets 13, 13' takes place at their location. The injection of the liquid fuel to form the injection jets 9, 9' takes place at a pressure of >1700 bar, preferably >2000 bar and is carried out in particular at approximately 2150 bar in the exemplary embodiment shown. In connection with the geometric design of the injection holes 25 ( 1 ) and the mutual coordination of the cone angle α ( 1 ), start of injection, injection duration and geometric design of the piston recess 6 and the step chamber 7, each of the third subsets 13, 13' of the adjacent injection jets 9, 9' hit each other in the circumferential direction 16 at a speed of at least 15 m/s, here preferably of about 30 m/s on top of each other.

Im weiteren Phasenbild nach 9 ist die Ausbreitung des eingespritzten Kraftstoffes bei etwa 34° Kurbelwinkel nach Spritzbeginn dargestellt. Die aufeinandergetroffenen Teilmengen 13, 13' benachbarter Einspritzstrahlen 9 9' sind gegenüber dem Phasenbild nach 8 aus ihrer Bewegungsrichtung in der Umfangsrichtung 16 heraus entgegen der Radialrichtung 15 nach innen zur Zylinderachse 26 hin umgelenkt. Diese Umlenkung wird durch den Stufenraum 7 (1 bis 8), gegebenenfalls unterstützt durch die Umlenkmittel 18 bzw. Ablenknasen 23 (4 bis 6) hervorgerufen.In the further phase picture after 9 shows the propagation of the injected fuel at about 34° crank angle after the start of injection. The subsets 13, 13' of adjacent injection jets 9, 9' which have met one another are opposite to the phase diagram 8th deflected from its direction of movement in the circumferential direction 16 out against the radial direction 15 inward toward the cylinder axis 26 . This deflection is caused by the step space 7 ( 1 until 8th ), optionally supported by the deflection means 18 or deflection lugs 23 ( 4 until 6 ) caused.

10 zeigt schließlich eine perspektivische Ausschnittsdarstellung des Zylinders 1 mit dem Kolben 2 im Bereich eines einzelnen Einspritzstrahles 9 im zeitlichen Zustand nach 9. Demnach ist der in der Radialrichtung 15 nach außen auf den Stufenraum 7 gerichtete Einspritzstrahl 9 nach dem Auftreffen auf den Stufenraum 7 in drei Teilmengen 11, 12, 13 aufgeteilt. Bezogen auf deren weiter oben näher beschriebene Ausbreitungsrichtung bilden sich an ihren jeweiligen Vorderseiten insgesamt drei verschiedene Verbrennungsfronten 28, 29, 30 aus. Insbesondere hat sich die entgegen der radialen Richtung 15 ausbreitende dritte Teilmenge 13 und die mit ihr einhergehende dritte Verbrennungsfront 30 zeitlich erst nach der ersten Teilmenge 11 und der zweiten Teilmenge 12 mit den zugehörigen Verbrennungsfronten 28, 29 ausgebildet. Die dritte Verbrennungsfront 30 liegt bezogen auf die Umfangsrichtung 16 zwischen benachbarten Einspritzstrahlen 9, 9' (7 bis 9) und bezogen auf die Axialrichtung 14 oberhalb der Kolbenmulde 6 mit der ersten Teilmenge 11 und der ersten Verbrennungsfront 28. Dort steht noch genügend Restsauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung. Als Folge davon sinkt die Rußemission. Durch die zeitverzögerte Entstehung der dritten Verbrennungsfront 30 wird auch die Ausbildung von lokalen Spitzentemperaturen im Brennraum 4 vermieden bzw. verringert. Dies trägt zur Verminderung der Stickoxid-Entstehung bei. Auch die Nachoxidation von Ruß wird begünstigt. Die zweite Teilmenge 12 wird durch die Ablenkung in die Axialrichtung 14 in ihrer Ausbreitung zur Zylinderwand (Radialrichtung 15) gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich abgebremst. Bei 34° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (9) haben die Kraftstoffteilchen noch keinen Wandkontakt und erreichen die Wand des Zylinders 1 erst bei etwa 36° Kurbelwinkel. Der Eintrag des Russanteiles ins Motoröl an der Wand des Zylinders 1 kann vermindert werden. 10 Finally, FIG. 1 shows a perspective detail view of the cylinder 1 with the piston 2 in the area of a single injection jet 9 in the chronological state 9 . Accordingly, the injection jet 9 directed outwards in the radial direction 15 onto the step space 7 is divided into three subsets 11 , 12 , 13 after impinging on the step space 7 . A total of three different combustion fronts 28, 29, 30 form on their respective front sides in relation to their propagation direction, which is described in more detail above. In particular, the third subset 13 propagating counter to the radial direction 15 and the associated third combustion front 30 developed after the first subset 11 and the second subset 12 with the associated combustion fronts 28, 29. In relation to the circumferential direction 16, the third combustion front 30 lies between adjacent injection jets 9, 9' ( 7 until 9 ) and in relation to the axial direction 14 above the piston recess 6 with the first subset 11 and the first combustion front 28. There is still enough residual oxygen available for the combustion. As a result, soot emissions are reduced. The formation of local peak temperatures in the combustion chamber 4 is also avoided or reduced by the time-delayed formation of the third combustion front 30 . This helps to reduce the formation of nitrogen oxides. Post-oxidation of soot is also promoted. The second subset 12 is significantly slowed down by the deflection in the axial direction 14 in its expansion to the cylinder wall (radial direction 15) compared to conventional methods. At 34° crank angle after top dead center ( 9 ) the fuel particles have not yet come into contact with the wall and only reach the wall of cylinder 1 at a crank angle of around 36°. The entry of soot into the engine oil on the wall of cylinder 1 can be reduced.

Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in den 7 bis 10 auch solche gleichen Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen, die vorstehend im Zusammenhang mit jeweils einer einzelnen Fig. nicht näher benannt sind.For the sake of clarity are in the 7 until 10 Identical features are also provided with the same reference numerals, which are not named in detail above in connection with an individual figure.

Claims

Method for operating a direct-injection, self-igniting internal combustion engine, the internal combustion engine having at least one cylinder (1), a piston (2) guided up and down in the cylinder (1), a cylinder head (3) and a piston (3) running through the cylinder (1). (2) and the cylinder head (3) delimited combustion chamber (4), wherein in a piston head (5) of the piston (2) a piston recess (6) is formed, which in the transition area to the piston head (5) in a substantially ring-shaped stepped space (7), and an injector (8) for fuel opens into the combustion chamber (4), by means of which several injection jets (9, 9') of fuel are distributed over its circumference along jet axes (10) arranged in a cone shape in are injected into the combustion chamber (4), characterized in that the injection jets (9, 9') are guided towards the step chamber (7) and deflected there in such a way that a first partial quantity (11) of fuel flows in an axial direction (14) and a is deflected in the radial direction (15) into the piston recess (6), that a second subset (12) of fuel is deflected in the axial direction (14) and the radial direction (15) via the piston head (5) into the combustion chamber (4), and that a third subset (13) of fuel is deflected in a circumferential direction (16), the respective third subsets (13, 13') of adjacent injection jets (9, 9') meeting in the circumferential direction (16) and then in the radial direction ( 15) are deflected inwards and deflection means (18) are provided in the step space (7) on both sides of a point (17) where the jet axis (10) hits the step space (7), the deflection means (7) transporting the third subset (13) of fuel deflect inwards from the circumferential direction (16) in the radial direction (15).

procedure after claim 1 , characterized in that a cone angle (α) of the conically arranged jet axes (10), the start of injection and the duration of injection are matched to one another in such a way that at least 30%, in particular 30% up to and including 80% of the injected fuel quantity impinges on the step chamber (7).

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the fuel is injected at a pressure > 1700 bar, preferably > 2000 bar, and in particular at approximately 2150 bar.

Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the respective third subsets (13, 13') of adjacent injection jets (9, 9') meet in the circumferential direction (16) at a speed of at least 15 m/s, in particular approximately 30 m/s.

Internal combustion engine, the internal combustion engine being a direct-injection, self-igniting internal combustion engine with at least one cylinder (1), a piston (2) guided up and down in the cylinder (1), a cylinder head (3) and a piston ( 2) and the cylinder head (3) is delimited combustion chamber (4), wherein in a piston head (5) of the piston (2) a piston recess (6) is formed, which in the transition area to the piston head (5) in a substantially annular stepped space ( 7), and wherein an injector (8) for fuel opens into the combustion chamber (4), which is used for injecting a plurality of fuel injection jets (9, 9') distributed over its circumference along jet axes (10) arranged in a cone shape into the combustion chamber ( 4). Stage space (7) are arranged, which are provided for deflecting a third portion (13) of fuel from a circumferential direction (16) in the radial direction (15) inwards.

internal combustion engine claim 5 , characterized in that a wall (19) of the stepped space (7) is concave in cross-section as a circular arc section or as an elliptical section with a radius (R ₂ ) which is in a range of 3% up to and including 30% of a radius (R ₁ ) of the piston recess (6).

internal combustion engine claim 5 , characterized in that the wall (19) of the step space (7) is formed in cross section by a straight peripheral wall (20), a straight bottom (21) and a concavely curved transition wall (22), the peripheral wall (20) opposite a axial direction (14) in a range from +10° to -30° inclusive, and/or wherein the base (21) is inclined relative to a radial direction (15) in a range from +30° to -40° inclusive , and/or wherein the concavely curved transition wall (22) has a radius (R ₃ ) in a range from 1.5% up to and including 20% of the radius (R ₁ ) of the piston recess (6).

Internal combustion engine according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that a height (h) of the step space (7) in the axial direction (14) is in a range of 10% to 30% inclusive of the radius (R ₁ ) of the piston bowl (6), and that a width ( b) of the step space (7) in the radial direction (15) in a range of 2% up to and including 30% of the radius (R ₁ ) of the piston recess (6).

internal combustion engine claim 5 , characterized in that the deflection means (18) as in the radial direction (15) and the axial direction (14) inwards from the wall (19) of the step chamber (7) and in the direction of the piston recess (6) or the combustion chamber ( 4) projecting deflection noses (23) are formed.

internal combustion engine claim 9 , characterized in that the step space (7) in the circumferential direction (16) and the radial direction (15) concavely merges into the deflection nose (23) in the shape of a circular arc.

internal combustion engine claim 10 , characterized in that the arcuate transition has a radius (R ₄ ) which is in a range from 5% to 50% inclusive of the radius (R ₁ ) of the piston recess (6).

internal combustion engine claim 9 , characterized in that the step space (7) in the circumferential direction (16) and the radial direction (15) elliptically concave into the deflection nose (23).

internal combustion engine claim 12 , characterized in that the elliptical transition has a semi-minor axis (R ₅ ) and a semi-major axis (R ₅ ), the semi-minor axis (R ₅ ) being in a range from 2% to 25% inclusive and the semi-major axis (R ₅ ) is in a range from 10% up to and including 60% of the radius (R ₁ ) of the piston recess (6).

Internal combustion engine according to one of claims 9 until 13 , characterized in that a height (h ₁ ) of the deflection nose (23) in the axial direction (14) is in a range of 60% to 100% inclusive of the height (h) of the step space (7), that a width (b ₁ ) the deflection nose (23) in the radial direction (15) in a range of 60% up to and including 100% of the width (b) of the step space (7), and that an axial end face (24) of the deflection nose (23) around is inclined inwardly into the piston recess (6) at an angle (β) in a range from 0° to 40° inclusive with respect to the radial direction (15).

Internal combustion engine according to one of Claims 5 until 14 , characterized in that the injector (8) has seven to twelve, preferably eight to ten, injection holes (25) distributed particularly uniformly over its circumference.

Internal combustion engine according to one of Claims 5 until 15 , characterized in that the injection hole (25) of the injector (8) has a length (L) and a diameter (D), the ratio of the length (L) to the diameter (D) in a range from 3.0 to inclusive inclusive 11.0 lies.

Internal combustion engine according to one of Claims 5 until 16 , characterized in that all jet axes (10) of the injection jets (9) are arranged on a single common cone surface.