DE102009020420A1

DE102009020420A1 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE102009020420A1
Application number: DE102009020420A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Theobald; Lars Hentschel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein Kolben axial bewegbar angeordnet ist, und mit einem Zylinderkopf (10), wobei Arbeitszylinder, Kolben und Zylinderkopf (10) einen Brennraum (32) ausbilden, wobei im Zylinderkopf (10) für zumindest einen Arbeitszylinder wenigstens eine Einspritzvorrichtung (20) für Kraftstoff derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Einspritzvorrichtung (20) an einer Einmündung (30) in einer von dem Zylinderkopf (10) ausgebildeten Brennraumwandung (12) in den Brennraum (32) mündet und ein kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende (24) aufweist, aus dem ein Kraftstoffeinspritzstrahl (26) in Richtung eines vorbestimmten Strahlvektors (28) in den Brennraum (32) austritt, wobei in dem Zylinderkopf (10) für diesen Arbeitszylinder wenigstens ein Einlasskanal mit Einlassventil (14) für Verbrennungsluft derart angeordnet und ausgebildet ist, dass bei geöffnetem Einlassventil (14) Verbrennungsluft in den Brennraum (32) einströmt und an der Einmündung (30) der Einspritzvorrichtung (20) mit einer vorbestimmten Strömmungsrichtung (22) vorbei strömt. Hierbei ragt die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung (30) der Einspritzvorrichtung (20) in Richtung einer Vektorkomponente (34) des Strahlvektors (28) senkrecht zur Brennraumwandung (12) stromauf der Einmündung (30) ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein Kolben axial bewegbar angeordnet ist, und mit einem Zylinderkopf, wobei Arbeitszylinder, Kolben und Zylinderkopf einen Brennraum ausbilden, wobei im Zylinderkopf für zumindest einen Arbeitszylinder wenigstens eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Einspritzvorrichtung an einer Einmündung in einer von dem Zylinderkopf ausgebildeten Brennraumwandung in den Brennraum mündet und ein kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende aufweist, aus dem ein Kraftstoffeinspritzstrahl in Richtung eines vorbestimmten Strahlvektors in den Brennraum austritt, wobei in dem Zylinderkopf für diesen Arbeitszylinder wenigstens ein Einlasskanal mit Einlassventil für Verbrennungsluft derart angeordnet und ausgebildet ist, dass bei geöffnetem Einlassventil Verbrennungsluft in den Brennraum einströmt und an der Einmündung der Einspritzvorrichtung mit einer vorbestimmten Strömungsrichtung vorbei strömt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei direkteinspritzenden Ottomotoren mündet der Injektor zum Einspritzendes Kraftstoffes direkt in den Brennraum. Somit kommt es während der Kraftstoffeinspritzung zur Interaktion des Kraftstoffes mit der sich im Brennraum und im darunter liegenden Zylinder befindenden Verbrennungsluft. Befindet sich die Luft im Bereich der Injektoraustrittsbohrung in Bewegung, so werden die aus dem Injektor austretenden Kraftstofftröpfchen abgelenkt. Je nach Intensität der Luftbewegung und des Impulses der austretenden Kraftstofftröpfchen ist diese Ablenkung unterschiedlich stark.
Selbst an der Strahlwurzel, wo die austretenden Kraftstofftröpfchen die höchste Austrittsgeschwindigkeit und damit den höchsten Strömungsimpuls besitzen, werden diese durch die Strömung der Verbrennungsluft um Zylinder abgelenkt. Besonders stark ist die Ablenkung jedoch beim Öffnungs- und Schließvorgang des Injektors, da dann die austretenden Kraftstofftröpfchen den niedrigsten Impuls aufweisen und am leichtesten abgelenkt werden können. Insbesondere auf der „Lee”-Seite, also der vorherrschenden Luftströmung abgewandten Seite des Kraftstoffsprays, kommt es durch die zuvor beschriebene Ablenkung ggf. zur Benetzung der Brennraumwand aufgrund von Adhäsionseffekten. Flüssiger Kraftstoff an der relativ kalten Brennraumwand verbrennt nur unvollständig, da die Flamme an der Wand erlischt. Die unvollständige Verbrennung führt zur unerwünschten Ruß- und Ablagerungsbildung direkt auf der Wand, die nachfolgend als Russfahne bezeichnet wird.
Aus der DE 100 13 592 A1 ist eine Brennkraftmasche bekannt, die einen Zylinderkopf und einen Kolben umfasst, die einen Brennraum bilden. In dem Brennraum sind eine Einspritzdüse und eine Zündkerze wirksam, wobei die Einspritzdüse von einer Bohrung im Zylinderkopf umgeben ist, die eine Mündungsöffnung im Brennraum aufweist. Zur Verbesserung der Qualität der Gemischbildung ist im Brennraum die Einspritzdüse im spitzen Winkel zu einer zwischen einem Zylindergehäuse sowie dem Zylinderkopf verlaufenden Gehäuseebene angeordnet und benachbart der Mündungsöffnung im Zylinderkopf ein Kanal eingeformt. Der Kanal verläuft oberhalb einer Mulde im Kolben, wobei der Kanal und die Mulde derart zusammenwirken, dass ein gezielter Drall im Brennraum erzeugt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o. g. Art dahingehend zu verbessern, dass unerwünschte Ablagerungen im Brennraum vermieden sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die von dem Zylinderkopf ausgebildete Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung in Richtung einer Vektorkomponente des Strahlvektors senkrecht zur Brennraumwandung unmittelbar stromauf der Einmündung weiter in den Brennraum hinein ragt als bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung.
Dies hat den Vorteil, dass eine Benetzung der von dem Zylinderkopf ausgebildeten Brennraumwandung stromab der Einmündung der Einspritzvorrichtung durch von der Verbrennungsluftströmung in Richtung stromab der Einmündung abgelenkte Kraftstofftröpfchen wirksam vermieden ist. Hierdurch ist die Entstehung einer unerwünschten Russablagerung bzw. ”Russfahne” stromab der Einmündung der Einspritzvorrichtung ausgeschlossen.
Zweckmäßigerweise umfasst die Strömung der Verbrennungsluft im Brennraum eine Drallströmung.
In einer beispielhaften Ausführungsform ragt die von dem Zylinderkopf ausgebildete Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung in Richtung einer Vektorkomponente des Strahlvektors senkrecht zur Brennraumwandung unmittelbar stromauf der Einmündung gleich weit oder weiter in den Brennraum hinein als das kraftstoffeinspritzstrahlseitige Ende der Einspritzvorrichtung für Kraftstoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform ragt die von dem Zylinderkopf ausgebildete Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung in Richtung einer Vektorkomponente des Strahlvektors senkrecht zur Brennraumwandung unmittelbar stromab der Einmündung gleich weit oder weniger weiter in den Brennraum hinein als das kraftstoffeinspritzstrahlseitige Ende der Einspritzvorrichtung für Kraftstoff.
Eine besonders einfache Vermeidung der Benetzung der Brennraumwand stromab der Einmündung der Einspritzvorrichtung erzielt man dadurch, dass die von dem Zylinderkopf ausgebildete Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung als eine Mulde in der Brennraumwandung ausgebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die von dem Zylinderkopf ausgebildete Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung der Einspritzvorrichtung als sich in Richtung der Vektorkomponente des Strahlvektors senkrecht zur Brennraumwandung unmittelbar stromauf der Einmündung bzw. in Richtung des Brennraumes erhebende Schanze ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein von einem Zylinderkopf ausgebildetes Brennraumdach eines Arbeitszylinders einer erfindungemäßen Brennkraftmaschine in perspektivischer Ansicht,
2 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Brennraumwandung einer erfindungemäßen Brennkraftmaschine in einer Schnittansicht entlang Linie A-A von 1 und
3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Brennraumwandung einer erfindungemäßen Brennkraftmaschine in einer Schnittansicht entlang Linie A-A von 1
Der in 1 dargestellte Abschnitt eines Zylinderkopfes 10 bildet ein Brennraumdach für einen ansonsten nicht näher dargestellten Arbeitszylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine aus. Der Zylinderkopf 10 weist in einer von diesem ausgebildeten Brennraumwandung 12 ein Einlassventil 14, ein Auslassventil 16, eine Bohrung 18 für eine Zündkerze (nicht dargestellt) und eine Einspritzvorrichtung 20 für Kraftstoff auf. In dem Zylinderkopf 10 ist stromauf des Einlassventils 14 ein Einlasskanal (nicht dargestellt) derart angeordnet und ausgebildet, dass bei geöffnetem Einlassventil 14 eine Verbrennungsluft gemäß einer mit Pfeil 22 angedeuteten Strömung einströmt.
2 und 3 veranschaulichen die Anordnung der Einspritzvorrichtung 20 im Bereich einer Einmündung 30 der Brennraumwandung 12. Die Einspritzvorrichtung 20 weist ein kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende 24 auf, aus dem ein Kraftstoffeinspritzstrahl 26 in Richtung eines vorbestimmten Strahlvektors 28 in den Brennraum 32 austritt. Durch die Strömung der Verbrennungsluft gemäß Strömungsrichtung 22 erfolgt ggf. eine Ablenkung des Kraftstoffeinspritzstrahls 26. Diese Ablenkung ist in den 2 und 3 nicht dargestellt.
Der Ausdruck ”Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung 22 der Verbrennungsluft stromauf der Einmündung 30” bezeichnet hierin einen ersten Abschnitt der Brennraumwandung 12, welcher sich in 2 und 3 rechts von der Einspritzvorrichtung 20 im Luv-Bereich der Einmündung 30 hinsichtlich der Strömungsrichtung 22 befindet. Der erste Abschnitt grenzt unmittelbar an die Einmündung 30 an oder ist von dieser beabstandet. Nachfolgend wird dieser Bereich kurz mit ”stromauf der Einmündung” bezeichnet. Der Ausdruck ”Brennraumwandung bzgl. der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung” bezeichnet hierin einen zweiten Abschnitt der Brennraumwandung 12, welcher sich in 2 und 3 links von der Einspritzvorrichtung 20 im Lee-Bereich der Einmündung 30 hinsichtlich der Strömungsrichtung 22 befindet. Der zweite Abschnitt grenzt unmittelbar an die Einmündung 30 an. Nachfolgend wird dieser Bereich kurz mit ”stromab der Einmündung” bezeichnet. Der Ausdruck ”Vektorkomponente des Strahlvektors 28 senkrecht zur Brennraumwandung 12 benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung 30” bezeichnet hierin einen Vektor 34 im ersten Bereich an einer höchsten Erhebung der Brennraumwandung 12 bzgl. des Niveaus der Einmündung 30, wobei dieser senkrecht zu der Brennraumwandung 12 am kraftstoffeinspritzstrahlseitigen Ende 24 der Einspritzvorrichtung 20, also am Ort des Strahlvektors 28, ausgerichtet ist. Sofern die Einmündung 30 und die Brennraumwandung 12 im ersten Abschnitt gleiches Niveau aufweisen, befindet sich der Vektor 34 unmittelbar angrenzend rechts von der Einmündung. Der Ausdruck ”Vektorkomponente des Strahlvektors 28 senkrecht zur Brennraumwandung 12 unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung 30” bezeichnet einen Vektor 36 im zweiten Bereich unmittelbar angrenzend an die Einmündung 30, wobei dieser senkrecht zu der Brennraumwandung 12 am kraftstoffeinspritzstrahlseitigen Ende 24 der Einspritzvorrichtung 20, also am Ort des Strahlvektors 28, ausgerichtet ist. Mit dem Ausdruck ”Niveau” ist voranstehend ein relativer Abstand von einer durch die Brennraumwandung 12 des gesamten Brennraumdaches im Zylinderkopf 10 definierten, im Raum gekrümmten Fläche bezeichnet. Hierbei befindet sich beispielsweise das kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende 24 der Einspritzvorrichtung 20 auf Niveau null 38, d. h. genau auf dieser Fläche.
Erfindungsgemäß ist die Brennraumwandung 12 stromauf und stromab der Einmündung 30 derart ausgebildet, dass sich eine Stufe bzw. ein Niveau-Unterschied ergibt, wobei die Brennraumwandung 12 stromauf der Einmündung 30 ein höheres Niveau aufweist, d. h. weiter in Richtung des Brennraumes 32 hinein ragt, als die Brennraumwandung 12 stromab der Einmündung 30. Hierbei ist die Brennraumwandung 12 stromauf der Einmündüng 30 nicht unterhalb des Niveaus des kraftstoffeinspritzstrahlseitigen Endes 24 der Einspritzvorrichtung 20 angeordnet und die Brennraumwandung 12 stromab der Einmündung 30 nicht oberhalb des Niveaus des kraftstoffeinspritzstrahlseitigen Endes 24 der Einspritzvorrichtung 20. Auf diese Weise ist eine Benetzung der Brennraumwandung 12 stromab der Einmündung 30 durch Kraftstofftröpfchen, welche von der Strömung 22 der Verbrennungsluft abgelenkt werden, wirksam vermieden.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist die Brennraumwandung 12 stromauf der Einmündung 30 als Schanze 40 ausgebildet, welche sich von einem Null-Niveau 38 in Richtung des Brennraumes 32 erhebt. Diese Schanze 40 erstreckt sich in der beispielhaften Ausführungsform bis angrenzend zur Einmündung 30 und lenkt die Strömung 22 der Verbrennungsluft unmittelbar vor der Einmündung 30 in Richtung des Brennraumes 32 ab, so dass sich die durch die Strömung 22 ggf. mitgerissenen Kraftstoffströpfchen von der Brennraumwandung 12 stromab der Einmündung 30 weg in Richtung des Brennraumes 32 bewegen.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß 3 ist die Brennraumwandung 12 stromab der Einmündung 30 als Mulde 42 ausgebildet, wobei sich der Muldenboden unterhalb des Null- Niveaus 38 befindet. Somit sind in Strömungsrichtung 22 hinter der Einmündung 30 Adhäsionseffekte bzw. ist eine Benetzung der Brennraumwandung 12 durch ggf. von der Strömung 22 der Verbrennungsluft mitgerissenen Kraftstofftröpfchen dadurch vermieden, dass der Freiraum stromab der Einmündung 30 zwischen der Brennraumwandung 12 und den ggf. mitgerissenen Kraftstofftröpfchen bzw. der Strömung 22 vergrößert wird.
Obwohl in den 2 und 3 zwei Ausführungsformen getrennt voneinanderdargestellt sind, können in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Schanze 40 und die Mulde 42 auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein.

10: Zylinderkopf
12: vom Zylinderkopf 10 ausgebildete Brennraumwandung
14: Einlassventil
16: Auslassventil
18: Bohrung für eine Zündkerze
20: Einspritzvorrichtung für Kraftstoff
22: Pfeil
24: kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende der Einspritzvorrichtung 20
26: Kraftstoffeinspritzstrahl
28: Strahlvektor
30: Einmündung
32: Brennraum
34: Vektor
36: Vektor
38: Null-Niveau
40: Schanze
42: Mulde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10013592 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein Kolben axial bewegbar angeordnet ist, und mit einem Zylinderkopf (10), wobei Arbeitszylinder, Kolben und Zylinderkopf (10) einen Brennraum (32) ausbilden, wobei im Zylinderkopf (10) für zumindest einen Arbeitszylinder wenigstens eine Einspritzvorrichtung (20) für Kraftstoff derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Einspritzvorrichtung (20) an einer Einmündung (30) in einer von dem Zylinderkopf (10) ausgebildeten Brennraumwandung (12) in den Brennraum (32) mündet und ein kraftstoffeinspritzstrahlseitiges Ende (24) aufweist, aus dem ein Kraftstoffeinspritzstrahl (26) in Richtung eines vorbestimmten Strahlvektors (28) in den Brennraum (32) austritt, wobei in dem Zylinderkopf (10) für diesen Arbeitszylinder wenigstens ein Einlasskanal mit Einlassventil (14) für Verbrennungsluft derart angeordnet und ausgebildet ist, dass bei geöffnetem Einlassventil (14) Verbrennungsluft in den Brennraum (32) einströmt und an der Einmündung (30) der Einspritzvorrichtung (20) mit einer vorbestimmten Strömungsrichtung (22) vorbei strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung (30) der Einspritzvorrichtung (20) in Richtung einer Vektorkomponente (34) des Strahlvektors (28) senkrecht zur Brennraumwandung (12) stromauf der Einmündung (30) weiter in den Brennraum (32) hinein ragt als bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung (30).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung (22) der Verbrennungsluft im Brennraum (32) eine Drallströmung umfasst.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung (30) in Richtung einer Vektorkomponente (34) des Strahlvektors (28) senkrecht zur Brennraumwandung (12) stromauf der Einmündung (30) gleich weit oder weiter in den Brennraum (32) hinein ragt als das kraftstoffeinspritzstrahlseitige Ende (24) der Einspritzvorrichtung (20) für Kraftstoff.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung (30) in Richtung einer Vektorkomponente (36) des Strahlvektors (28) senkrecht zur Brennraumwandung (12) unmittelbar stromab der Einmündung (30) gleich weit oder weniger weiter in den Brennraum (32) hinein ragt als das kraftstoffeinspritzstrahlseitige Ende (24) der Einspritzvorrichtung (20) für Kraftstoff.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft unmittelbar angrenzend stromab der Einmündung (30) als eine Mulde (42) in der Brennraumwandung (12) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Zylinderkopf (10) ausgebildete Brennraumwandung (12) bzgl. der Strömungsrichtung (22) der Verbrennungsluft benachbart oder unmittelbar angrenzend stromauf der Einmündung (30) der (20) als sich in Richtung der Vektorkomponente (34) des Strahlvektors (28) senkrecht zur Brennrawmwandung (12) stromauf der Einmündung (30) bzw. in Richtung des Brennraumes (32) erhebende Schanze (40) ausgebildet ist.