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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschinen
mit mindestens einem Arbeitszylinder, in dem für jeden
Arbeitszylinder mit einer jeweiligen Zylinderlängsachse
wenigstens eine Ausnehmung für ein Hochdruck-Einspritzventil
und wenigstens eine Ausnehmung für eine Zündkerze angeordnet
sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
der
DE 198 04 463
B4 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für Ottomotoren
mit einer Einspritzdüse bekannt, die in einen von einer
Kolben/Zylinder-Konstruktion gebildeten Brennraum einspritzt und
eine in den Brennraum ragende Zündkerze aufweist, wobei
die Einspritzdüse im zentralen Bereich des Brennraumes
angeordnet ist. Die Einspritzdüse weist wenigstens eine
Reihe von über den Umfang der Einspritzdüse verteilte
Einspritzlöcher auf, wobei durch eine gezielte Einspritzung
von Kraftstoff über die Einspritzlöcher ein strahlgeführtes
Brennverfahren durch Bildung einer Gemischwolke realisiert wird, mit
wenigstens einem Strahl, der zur Zündung wenigstens annähernd
in Richtung auf die Zündkerze gerichtet und gesteuert ist,
so dass im Berührungsbereich mit der Zündkerze
nur noch verdampfter Kraftstoff vorliegt. Die weiteren Strahlen
bilden eine wenigstens annähernd geschlossene und/oder
zusammenhängende Gemischwolke, wobei es zu keiner wesentlichen
Berührung der weiteren Strahlen mit dem Kolben oder der
Zylinderwandung kommt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der
oben genannten Art hinsichtlich der Verbrennung und des Schadstoffausstoßes
zu verbessern Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art mit den in Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Brennkraftmaschine der oben genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die wenigstens eine Ausnehmung für ein Hochdruck-Einspritzventil
in dem Zylinderkopf derart angeordnet ist, dass eine Längsachse
dieser Ausnehmung für ein Hochdruck-Einspritzventil und
die Zylinderlängsachse einen ersten Winkel von 2° bis
10° einschließen, und dass die wenigstens eine
Ausnehmung für eine Zündkerze in dem Zylinderkopf
derart angeordnet ist, dass eine Längsachse dieser Ausnehmung
für eine Zündkerze und die Zylinderlängsachse
einen zweiten Winkel von 17° bis 27° einschließen.
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Dies
hat den Vorteil, dass durch eine zentrale Injektorlage Partikelemissionen
und Schmierölverdünnung reduziert sind und eine
Brenngeschwindigkeit erhöht ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der erste
Winkel einen Wert von 5,6° und/oder der zweite Winkel einen
Wert von 22,9° auf.
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Eine
besonders gute Vermeidung der Kraftstoffbenetzung von Einlassventilen
erzielt man dadurch, dass wenigstens ein Hochdruckinjektor vorgesehen
ist, wobei der wenigstens eine Hochdruckinjektor sechs Öffnungen
zur Abgabe von Kraftstoffstrahlen aufweist, wobei jeder Kraftstoffstrahl derart
im Raum ausgerichtet ist, dass dieser einen Winkel α zu
einer ersten Ebene parallel zur Zylinderlängsachse und
einen Winkel β zu einer zweiten Ebene parallel zur Zylinderlängsachse
und senkrecht zur ersten Ebene einschließt, wobei eine
Ausrichtung im Raum mit α = 0° und β =
0° parallel zur Zylinderlängsachse verläuft,
wobei ein erster Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α =
25° und einem Winkel β = 8°, ein zweiter
Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α = 0° und einem
Winkel β = –3°, ein dritter Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel α = –28° und einem Winkel β = –20°,
ein vierter Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α = –27° und einem
Winkel β = 8°, ein fünfter Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel α = –25° und einem Winkel β =
30° und ein sechster Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α =
10° und einem Winkel β = 28 ausgerichtet ist.
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Eine
besonders gute Vermeidung der Kraftstoffbenetzung von Einlassventilen
erzielt man in einer alternativen Ausführungsform dadurch,
dass wenigstens ein Hochdruckinjektor vorgesehen ist, wobei der
wenigstens eine Hochdruckinjektor sechs Öffnungen zur Abgabe
von Kraftstoffstrahlen aufweist, wobei jeder Kraftstoffstrahl derart
im Raum ausgerichtet ist, dass dieser einen Winkel α zu
einer ersten Ebene parallel zur Zylinderlängsachse und
einen Winkel β zu einer zweiten Ebene parallel zur Zylinderlängsachse
und senkrecht zur ersten Ebene einschließt, wobei eine
Ausrichtung im Raum mit α = 0° und β =
0° parallel zur Zylinderlängsachse verläuft, wobei
ein erster Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α = 17,7° und
einem Winkel β = 16,8°, ein zweiter Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel α = 18,5° und einem Winkel β = –18,4°,
ein dritter Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α = –10° und
einem Winkel β = 42,5°, ein vierter Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel α = –39,3° und einem
Winkel β = –22,6°, ein fünfter
Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α = –45,3° und
einem Winkel β = 33,0° und ein sechster Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel α = –13,2° und einem
Winkel β = 45,1° ausgerichtet ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform einer eines erfindungsgemäßen
Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine in Schnittansicht,
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2 eine
Projektion eines Strahlbildes in eine Ebene senkrecht zu einer Zylinderlängsachse eines
Hochdruck-Einspritzventils mit sechs Einspritzlöchern gemäß einer
ersten Ausführungsform und
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3 eine
Projektion eines Strahlbildes in eine Ebene senkrecht zu einer Zylinderlängsachse eines
Hochdruck-Einspritzventils mit sechs Einspritzlöchern gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Die
in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
eines Zylinderkopfes 10 für eine ansonsten nicht
näher dargestellte Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Ottomotor, umfasst eine Ausnehmung 12 für eine
Zündkerze und eine Ausnehmung 14 für
ein Hochdruck-Einspritzventil. Eine erste Gerade 16 kennzeichnet
eine Längsachse der Ausnehmung 12 für
eine Zündkerze, eine zweite Gerade 18 kennzeichnet
eine Längsachse der Ausnehmung 14 für
ein Hochdruck-Einspritzventil und eine dritte Gerade 20 ist
parallel zu einer Zylinderlängsachse (nicht dargestellt)
eines dieser Ausnehmung 14 für ein Hochdruck-Einspritzventil
zugeordneten Arbeitszylinders (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine ausgerichtet.
Mit 22 ist ein von der Längsachse der Ausnehmung 14 für
ein Hochdruck-Einspritzventil und der dritten Geraden 20 eingeschlossener
erster Winkel und mit 24 ist ein von der Längsachse
der Ausnehmung 12 für eine Zündkerze
und der dritten Geraden 20 eingeschlossener. zweiter Winkel
bezeichnet.
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In 2 und 3 ist
jeweils auf einer horizontalen Achse 26 ein Winkel α und
auf einer vertikalen Achse 28 ein Winkel β aufgetragen.
Diese Winkel definieren die Ausrichtung von Kraftstoff-Einspritzstrahlen
relativ zu der Zylinderlängsachse im Raum, die von einem
Hochdruck-Einspritzventil (nicht dargestellt) abgegeben werden.
In 2 und 3 bezeichnet 30 ein
Loch in dem Hochdruck-Einspritzventil für einen ersten
Kraftstoffstrahl, 32 ein Loch in dem Hochdruck-Einspritzventil
für einen zweiten Kraftstoffstrahl, 34 ein Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil für einen dritten Kraftstoffstrahl, 36 ein
Loch in dem Hochdruck-Einspritzventil für einen vierten Kraftstoffstrahl, 38 ein
Loch in dem Hochdruck-Einspritzventil für einen fünften
Kraftstoffstrahl und 40 ein Loch in dem Hochdruck-Einspritzventil
für einen sechsten Kraftstoffstrahl. Die Lage der Löcher
in dem Diagramm der 2 und 3 kennzeichnet
die Lage des aus dem jeweiligen Loch austretenden Kraftstoffstrahls
im Raum.
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In 2 weisen
die Winkel α bzw. β für den ersten Kraftstoffstrahl
aus dem ersten Loch 30 die Werte 25° bzw. 8°,
für den zweiten Kraftstoffstrahl aus dem zweiten Loch 32 die
Werte 0° bzw. –3°, für den dritten
Kraftstoffstrahl aus dem dritten Loch 34 die Werte –28° bzw. –20°,
für den vierten Kraftstoffstrahl aus dem vierten Loch 36 die
Werte –27° bzw. 8°, für den
fünften Kraftstoffstrahl aus dem fünften Loch 38 die
Werte –25° bzw. 30° und für
den sechsten Kraftstoffstrahl aus dem sechsten Loch 40 die
Werte 10° bzw. 28° auf.
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In 3 weisen
die Winkel α bzw. β für den ersten Kraftstoffstrahl
aus dem ersten Loch 30 die Werte 17,7° bzw. 16,8°,
für den zweiten Kraftstoffstrahl aus dem zweiten Loch 32 die
Werte 18,5° bzw. –18,4°, für
den dritten Kraftstoffstrahl aus dem dritten Loch 34 die
Werte –10° bzw. 42,5°, für den vierten
Kraftstoffstrahl aus dem vierten Loch 36 die Werte –39,3° bzw. –22,6°,
für den fünften Kraftstoffstrahl aus dem fünften
Loch 38 die Werte –45,3° bzw. 33.0° und
für den sechsten Kraftstoffstrahl aus dem sechsten Loch 40 die
Werte –13,2° bzw. 45,1° auf.
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Für
den erfindungsgemäße Zylinderkopf ist ein ottomotorisches
Brennverfahren in Kombination mit brennraumseitiger Einlass-Maskierung
vorgesehen. Das Spraybild der Hochdruck-Einspritzventile bzw. die
Anordnung der einzelnen Einspritzstrahlen, wie in 2 dargestellt,
ist derart ausgelegt, dass eine Kraftstoffbenetzung von Einlassventilen
vermieden wird. Das Spraybild der Hochdruck-Einspritzventile ist
weiterhin derart ausgelegt, dass eine Erhöhung der Brenngeschwindigkeit
mittels spezieller Hochdruck-Einspritzventil-Auslegung und sehr
hoher Ladungsbewegung ohne Klappensystem im Einlasskanal erreicht
wird und zusätzlich eine Kraftstoffbenetzung von Einlassventilen
und Brennraumwänden vermieden wird (2). Die
Erhöhung der Ladungsbewegung resultiert in einer Erhöhung
der turbulenten kinetischen Energie im Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Es
kommen verschiedene Konfigurationen von Einlassventilen und deren
Einspritzstrahlenausrichtung zum Einsatz, wie in 2 und 3 dargestellt.
In der Anordnung gemäß 3 wird eine
Einlassventil-Benetzung in Kauf genommen, dafür aber eine
optimale Ausnutzung des Brennraumvolumens der Einzelstrahlen erreicht.
Diese Ausführung weist optional auch nur 5 statt 6 Einspritzstrahlen
auf, wodurch die Benetzung der Einlassventile wieder vermieden wird.
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Für
den Betrieb des Motors wird ein spezielles Einspritztiming in Abhängigkeit
von Kolbenstellung und Einlassventilstellung(-hub) ausgeführt.
Zusätzlich werden Einspritzdrücke bis 250 bar
zur Vermeidung von Kolben- und Einlassventil-Benetzung und zur Vermeidung
von Partikelemissionen (Gesetzgebung) eingestellt. Des Weiteren
sind ggf. Mehrfacheinspritzungen vorgesehen, um die Verdampfung
und Gemischbildung im Zylinder zu optimieren und somit das Kaltstart-
und Emissionsverhalten zu verbessern.
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Vor
allem werden durch die vorgelegte Konfiguration die in Wandnähe
vorhandenen Kohlenwasserstoffe reduziert (Wall-Quenching) und somit
die Schadstoffemissionen deutlich abgesenkt. Um die Reduzierung
der Partikelemissionen weiterhin zu unterstützen ist eine
Kombination aus Saugrohr- und Direkteinspritzung vorgesehen. Der
Motor besitzt einen Einlass- und Auslassnockenwellensteller, um größtmögliche Überschneidungen
realisieren zu können und somit das Low-End-Torque zu verbessern und
im Teillastbereich die Kraftstoffverbräuche und Schadstoffemissionen,
im Speziellen HC- und Partikelemissionen, abzusenken.
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Dabei
ist die Anordnung derart getroffen, dass eine Verkürzung
der Brenndauer erreicht wird, die wiederum ein schnelleres Umsetzen
der Zylinderladung und somit die Erhöhung des Hochdruckwirkungsgrades
zur Folge hat. Des Weiteren wird eine geringere Standardabweichung
des indizierten Mitteldrucks und somit ein ruhiger Motorlauf erreicht. Eine
weitere Folge der zentralen Einspritzlage ist die Reduzierung der
Ablagerungen auf Kolben und Brennraumdach, die wiederum zur Reduzierung
der Partikelemissionen führen.
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Es
ist eine zentral einspritzende Konfiguration gewählt, die
speziell für den Homogenbetrieb ausgelegt ist. Nur in speziellen
Betriebsbereichen wird ein Schichtbetrieb zugelassen. Das Brennverfahren ist
bestimmt durch die Winkellage der Hochdruck-Einspritzventile (Neigungswinkel 22 zwischen 2° und
10° zur Zentralachse, insbesondere 5,6° +/– 0,1°)
und der Zündkerze (Neigungswinkel 24 zwischen
17° und 27° zur Zentralachse, insbesondere 22,9° +/– 0,1)
sowie dem Abstand von der Ausnehmung 12 für eine
Zündkerze und der Ausnehmung 14 für ein
Hochdruck-Einspritzventil, wie in 1 dargestellt.
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Um
eine Kollision mit weiteren Bauteilen des Zylinderkopfs und der
Nockenwellenhaube zu vermeiden, sind die Ausnehmung 12 für
eine Zündkerze und die Ausnehmung 14 für
ein Hochdruck-Einspritzventil in axialer Richtung der Brennkraftmaschine ohne
Winkelversatz eingebaut. Die Position der Ausnehmung 14 für
ein Hochdruck-Einspritzventil ist sowohl für nach außen öffnende
Piezo- und Magnetinjektoren als auch nach innen öffnende
Magnet-Drall- und Magnet-Mehrlochinjektoren optimiert und bietet ebenfalls
die Möglichkeit aus dem Dieselmotor bekannte Common-Rail-Injektoren
mit Einspritzdrücken bis zu 1000 bar zu verwenden.
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Sowohl
die Ausnehmung 14 für einen Injektor als auch
die die Ausnehmung 12 für eine Zündkerze
sind in Richtung Einlass um 2° geneigt. Auf der Brennraumseite
sind die Ausnehmungen bzw. Bohrungen 12, 14 für
Injektor und Zündkerze um 1 mm in Richtung Auslass verschoben.
Auf der Außenseite liegt eine Verschiebung um 1,5 mm in
Richtung Einlass vor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkopf
- 12
- Ausnehmung
für eine Zündkerze
- 14
- Ausnehmung
für ein Hochdruck-Einspritzventil
- 16
- erste
Gerade: Längsachse der Zündkerze 12
- 18
- zweite
Gerade: Längsachse des Hochdruck-Einspritzventils 14
- 20
- dritte
Gerade: parallel zu einer Zylinderlängsachse
- 22
- erster
Winkel: von der Längsachse des Hochdruck-Einspritzventils 14 und
der dritten Geraden 20 eingeschlossen
- 24
- zweiter
Winkel: von der Längsachse der Zündkerze 12 und
der dritten Geraden 20 eingeschlossen
- 26
- horizontalen
Achse: Winkel α
- 28
- vertikalen
Achse: Winkel β
- 30
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
ersten Kraftstoffstrahl
- 32
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
zweiten Kraftstoffstrahl
- 34
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
dritten Kraftstoffstrahl
- 36
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
vierten Kraftstoffstrahl
- 38
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
fünften Kraftstoffstrahl
- 40
- Loch
in dem Hochdruck-Einspritzventil 14 für einen
sechsten Kraftstoffstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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