DE102013221308A1 - Method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei der – jeder Zylinder auf einer Einlassseite (4) mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft und auf einer Auslassseite (3) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase aufweist, – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst und – die Kurbelwelle mit dem Kolben (1) jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, bei dem der Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens (1a) angeordnet ist, in einer Mittelebene (5), die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse (1b) liegt, wobei das Ansaugsystem zum Zwecke einer Ladungsbewegung im Brennraum des mindestens einen Zylinders in der Art ausgebildet ist, dass im Rahmen eines Ladungswechsels ein Tumble (14) im Brennraum erzeugt wird, wobei die via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluft (11a) – bei Eintritt in den Brennraum auf die Auslassseite (3) gerichtet wird, – im Folgenden auslassseitig entlang des Zylinderrohres (12) in Richtung Kolben (1) geführt wird, – anschließend von der Auslassseite (3) über den Kolbenboden (1a) in Richtung Einlassseite (4) geleitet wird, und – abschließend einlassseitig entlang des Zylinderrohres (12) in Richtung des Zylinderkopfes (13) und damit in Richtung der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung gelenkt wird.The invention relates to a method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine, in which each cylinder on an inlet side has at least one inlet opening for supplying the charge air and on an outlet side at least one outlet opening for discharging the combustion gases, each cylinder a combustion chamber and - the crankshaft is articulated to the piston (1) of each cylinder, wherein the fuel is introduced by means of an injector in the context of at least one injection directly into the at least one cylinder, wherein the injection device in the cylinder head on the opposite side of Piston bottom (1 a) is arranged, in a central plane (5) which is perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in which the piston longitudinal axis (1 b), wherein the intake system is designed for the purpose of a charge movement in the combustion chamber of the at least one cylinder in the manner , d a Tumble (14) is generated in the combustion chamber as part of a charge change, wherein the charge air (11a) entering the combustion chamber via the opened inlet opening is directed towards the outlet side (3) when entering the combustion chamber, - in the following along the cylinder tube (12) is guided in the direction of the piston (1), - is then guided from the outlet side (3) via the piston head (1a) in the direction of inlet side (4), and - finally inlet side along the cylinder tube (12) in the direction of the cylinder head ( 13) and thus directed in the direction of the centrally disposed injection device.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, und
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht, bei dem der Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist, in einer Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt.
- Each cylinder has on an inlet side at least one inlet opening for feeding the charge air via the intake system and on an outlet side at least one outlet opening for discharging the combustion gases via the exhaust removal system,
- - Each cylinder comprises a combustion chamber, which is formed by a piston head of a cylinder-associated piston, a cylinder tube and the cylinder head, and
- - The crankshaft is pivotally connected to the piston of each cylinder, so that the piston oscillates about a rotation axis rotating crankshaft along a piston longitudinal axis, wherein the piston longitudinal axis is perpendicular to the axis of rotation, wherein the fuel by means of an injector in the context of at least one injection directly into the at least one cylinder is introduced, wherein the injection device is arranged in the cylinder head on the opposite side of the piston head, in a median plane which is perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in which the piston longitudinal axis is located.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Furthermore, the invention relates to a direct-injection spark-ignited internal combustion engine for carrying out such a method.
Eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden, wozu im Zylinderkopf und im Zylinderblock Bohrungen vorgesehen sind. Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise der Aufnahme des für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebs. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um die Einlass- und Auslassöffnungen freizugeben bzw. zu versperren. An internal combustion engine is used for example as a drive for a motor vehicle. Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which is used to form the cylinder, d. H. the combustion chambers, are interconnected, including holes in the cylinder head and cylinder block are provided. The cylinder block serves as the upper crankcase half of the receptacle of the piston or the cylinder tube of each cylinder. The cylinder head usually serves to accommodate the valve gear required for the charge cycle. In the context of the charge exchange, the removal of the combustion gases via the exhaust gas removal system takes place via the at least one outlet opening and the feeding of the charge air via the intake system via the at least one inlet opening of the cylinder. In the prior art four-stroke engines are used almost exclusively for controlling the gas exchange stroke valves which are movable along its longitudinal axis between a valve closed position and a valve open position and perform an oscillating lifting movement during operation of the internal combustion engine to release the inlet and outlet openings or to block.
Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten. The required actuating mechanism including the valves is referred to as a valvetrain. It is the task of the valve train to open the intake and exhaust ports of the cylinder in time or to block, with a quick release of the largest possible flow cross sections is sought to keep the throttle losses in the incoming and outflowing gas flows low and the best possible filling of the cylinder or an effective, d. H. ensure complete expulsion of the combustion gases.
Zur Betätigung eines Ventils wird einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung. For actuating a valve, on the one hand a valve spring is provided to bias the valve in the direction of valve closing position, and on the other hand, in order to open the valve against the biasing force of this valve spring, a valve actuator.
Eine im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen. A crankshaft mounted in the crankcase receives the connecting rod forces and transforms the oscillating stroke movement of the pistons into a rotary rotary motion of the crankshaft. The upper crankcase half formed by the cylinder block is supplemented by the sump which can be mounted on the cylinder block and serves as the lower crankcase half. The oil pan is used to collect and store the engine oil and is part of the oil circuit. For receiving and supporting the crankshaft at least two bearings are provided in the crankcase.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. In the development of internal combustion engines, efforts are constantly being made to minimize fuel consumption and reduce pollutant emissions.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einer äußeren Gemischbildung und einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile. The problem is the fuel consumption, especially in gasoline engines, d. H. in spark-ignition internal combustion engines. The reason for this lies in the principle working method of the traditional gasoline engine. The traditional gasoline engine operates with an outer mixture formation and a homogeneous fuel-air mixture, whereby the adjustment of the desired performance by changing the filling of the combustion chamber, d. H. by means of a quantity regulation. By adjusting a throttle valve provided in the intake system, the pressure of the intake air downstream of the throttle valve can be more or less reduced. With a constant combustion chamber volume, the air mass, d. H. the quantity will be set. However, the quantity control by means of throttle valve has thermodynamic disadvantages due to the throttle losses in the partial load range.
Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. Ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. One solution for the dethrottling of the Otto engine work process offers the direct injection of the fuel. The injection of fuel directly into the combustion chamber of the cylinder is regarded as a suitable measure to noticeably reduce fuel consumption even in gasoline engines. The Entdrosselung the internal combustion engine is realized that within certain limits, a quality control is used. A method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine is also the subject of the present invention.
Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet. With the direct injection of the fuel into the combustion chamber can be realized in particular a stratified combustion chamber charge, which can contribute significantly to the dethrottling of the Otto engine operating method, since the internal combustion engine with the help of the stratified charge can be emaciated very far, which is particularly in part-load operation, d. H. In the lower and middle load range, when only small amounts of fuel are to be injected, it offers thermodynamic benefits.
Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisierbar ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt. The layer charge is characterized by a very inhomogeneous combustion chamber charge which can not be characterized by a uniform air ratio, but has both lean (λ> 1) mixture parts and rich (λ <1) mixture parts, wherein in the region of the ignition device an ignitable fuel air Mixture with comparatively high fuel concentration is present.
Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung. For the injection of the fuel, the mixture preparation in the combustion chamber, namely the mixing of air and fuel and the preparation of the fuel in the context of pre-reactions including evaporation, and the ignition of the treated mixture is comparatively little time available.
Da bei einer Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, sind Verfahren zur Gemischbildung erforderlich, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Einleitung der Fremdzündung weitestgehend zu homogenisieren, solange – wie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung – kein Schichtladebetrieb angestrebt wird. Von Bedeutung ist dies im Hinblick auf die Reduzierung der Schadstoffrohemissionen, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, des Kohlenmonoxids und der Partikel. Since in a direct injection only little time is available for the mixture formation, methods for mixture formation are required with which the mixture formation is supported and accelerated to homogenize the fuel-air mixture before the initiation of spark ignition as far as possible, as long as - Scope of the present invention - no stratified charge operation is sought. This is important in terms of reducing pollutant raw emissions, especially unburned hydrocarbons, carbon monoxide and particulates.
Im Wesentlichen können beim direkteinspritzenden Ottomotor drei Verfahren zur Gemischbildung unterschieden werden. In essence, three methods of mixture formation can be distinguished in direct injection gasoline engine.
Beim luftgeführten Verfahren wird versucht, die Gemischbildung mittels einer der Einlassströmung – beim Ansaugen der Luft in den Brennraum – aufgezwungenen Bewegung zu beeinflussen. Auf diese Weise soll eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff erzielt werden, wobei ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Innenwände des Brennraums durch die erzeugte Ladungsbewegung bzw. Strömung verhindert werden soll. In the air-guided process, an attempt is made to influence the mixture formation by means of one of the inlet flow - during the intake of air into the combustion chamber - forced movement. In this way, a good mixing of the intake air with the injected fuel should be achieved, with a direct impact of the injected fuel to the inner walls of the combustion chamber should be prevented by the generated charge movement or flow.
Beispielsweise kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse, d. h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft, im Gegensatz zu einem Drall, der einen Luftwirbel darstellt, dessen Achse parallel zur Kolben- d. h. Zylinderlängsachse verläuft. For example, the generation of a so-called tumbles or swirling flow can accelerate and assist mixture formation. A tumble is an air vortex about an imaginary axis which is parallel to the longitudinal axis, i. H. to the axis of rotation of the crankshaft, in contrast to a swirl, which represents an air vortex whose axis is parallel to the piston d. H. Cylinder longitudinal axis runs.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen kann ein gegen den Tumble gerichteter Einspritzstrahl zielführend sein, falls eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt wird. Dies setzt eine entsprechende Positionierung der Einspritzdüse voraus, d. h. nach dem Stand der Technik eine seitliche Anordnung der Einspritzdüse im Brennraum. In the case of direct-injection internal combustion engines, an injection jet directed against the tumble can be effective in the event that the widest possible distribution of the fuel in the entire combustion chamber is sought. This requires a corresponding positioning of the injection nozzle, d. H. According to the prior art, a lateral arrangement of the injection nozzle in the combustion chamber.
Die Anordnung und die Geometrie des Ansaugsystems, d. h. der Ansaugleitungen, hat maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung, wobei die Ladungsbewegung im Zylinder durch die Brennraumgeometrie mit beeinflusst wird, insbesondere durch die Geometrie des Kolbenbodens bzw. einer gegebenenfalls im Kolbenboden vorgesehenen Kolbenmulde. Nach dem Stand der Technik werden bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ausschließlich zur Kolbenlängsachse rotationssymmetrische Mulden verwendet, insbesondere omegaförmige Mulden. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf ist eine Optimierung der Einlasskanäle in Hinblick auf die Gemischbildung und den Ladungswechsel gegebenenfalls nicht oder aber nicht vollumfänglich möglich. The arrangement and geometry of the intake system, d. H. The suction lines, has a significant influence on the charge movement and thus on the mixture formation, wherein the charge movement in the cylinder is influenced by the combustion chamber geometry, in particular by the geometry of the piston head or optionally provided in the piston head piston recess. According to the state of the art, in the case of direct-injection internal combustion engines rotationally symmetrical depressions are used exclusively for the piston longitudinal axis, in particular omega-shaped depressions. Due to the limited space in the cylinder head, an optimization of the intake ducts with regard to the mixture formation and the charge exchange may not be possible or not fully possible.
Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, dass der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird. Insbesondere muss ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes in die Nähe der Zündeinrichtung gelenkt werden, um dort mit der angesaugten Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch auszubilden. In the wall-guided method, the fuel is injected into the combustion chamber in such a way that the injection jet is directed in a targeted manner to a wall delimiting the combustion chamber, preferably into a depression provided on the piston crown. The fuel jet is to be split and deflected by the impact in a plurality of partial beams, so that the largest possible area of the combustion chamber is detected by the fuel jets. In particular, a portion of the injected fuel must be directed in the vicinity of the ignition device in order there to form an ignitable fuel-air mixture with the intake air.
Während beim luftgeführten Verfahren ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Brennrauminnenwände verhindert werden soll, wird dies beim wandgeführten Verfahren angestrebt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff die Ölverdünnung fördert und die Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in nachteiliger Weise steigert. During the air-guided process, a direct impact of the injected fuel the combustion chamber inner walls to be prevented, this is the aim of the wall-guided process. It should be noted in this context that the wetting of the combustion chamber interior walls with fuel promotes oil dilution and disadvantageously increases the raw emissions of unburned hydrocarbons.
Beim strahlgeführten Verfahren wird der Kraftstoff gezielt in Richtung Zündeinrichtung eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung der Einspritzstrahlen und eine entsprechend abgestimmte Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung erreicht wird, beispielsweise durch eine Anordnung sowohl der Zündeinrichtung als auch der Einspritzeinrichtung zentral im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite. In the spray-guided method, the fuel is injected selectively toward the ignition device, which is achieved by a corresponding orientation of the injection jets and a correspondingly matched arrangement of injector and ignition device, for example, by an arrangement of both the ignition device and the injector centrally in the cylinder head on the piston bottom opposite Page.
Der Transport und die Verteilung des Kraftstoffes erfolgen im Wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls, so dass die Gemischbildung vergleichsweise unabhängig von der Brennraumgeometrie ist, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber den beiden anderen Verfahren darstellt. Das strahlgeführte Verfahren eignet sich besonders für den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine, weil einerseits ein zündfähiges Gemisch in einem eng begrenzten Bereich um die Zündeinrichtung herum ausgebildet werden kann und sich andererseits in weiten Bereichen des Brennraums eine geringe Kraftstoffkonzentration realisieren lässt. The transport and distribution of the fuel take place essentially by the pulse of the injection jet, so that the mixture formation is comparatively independent of the combustion chamber geometry, which represents a significant advantage over the other two methods. The jet-guided method is particularly suitable for the stratified operation of the internal combustion engine because, on the one hand, an ignitable mixture can be formed in a narrowly limited area around the ignition device and, on the other hand, a low fuel concentration can be realized in wide regions of the combustion chamber.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass bei direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen weiter Bedarf besteht an verbesserten Verfahren zur Gemischbildung. The above explanations make it clear that in direct-injection spark-ignited internal combustion engines there is still a need for improved methods for mixture formation.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Gemischbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor Einleitung der Fremdzündung insbesondere besser homogenisiert wird. Against the background of the above, it is an object of the present invention to provide a method for mixture formation according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen. A further partial object of the invention is to provide a direct-injection spark-ignited internal combustion engine for carrying out such a method.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, und
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht, bei dem der Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist, in einer Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt,
- – bei Eintritt in den Brennraum auf die Auslassseite gerichtet wird,
- – im Folgenden auslassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt wird,
- – anschließend von der Auslassseite über den Kolbenboden in Richtung Einlassseite geleitet wird, und
- – abschließend einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes und damit in Richtung der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung gelenkt wird.
- Each cylinder has on an inlet side at least one inlet opening for feeding the charge air via the intake system and on an outlet side at least one outlet opening for discharging the combustion gases via the exhaust removal system,
- - Each cylinder comprises a combustion chamber, which is formed by a piston head of a cylinder-associated piston, a cylinder tube and the cylinder head, and
- - The crankshaft is pivotally connected to the piston of each cylinder, so that the piston oscillates about a rotation axis rotating crankshaft along a piston longitudinal axis, wherein the piston longitudinal axis is perpendicular to the axis of rotation, wherein the fuel by means of an injector in the context of at least one injection directly into the at least one cylinder is introduced, wherein the injection device is arranged in the cylinder head on the opposite side of the piston crown, in a median plane which is perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in which the piston longitudinal axis is located,
- - is directed to the outlet side when entering the combustion chamber,
- - is guided in the following discharge side along the cylinder tube in the direction of the piston,
- - is then passed from the outlet side over the piston crown in the direction of the inlet side, and
- - Finally inlet side along the cylinder tube in the direction of the cylinder head and thus is directed in the direction of the centrally disposed injection device.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung ist ein hybrides Gemischbildungsverfahren, welches ein Merkmal des strahlgeführten Verfahrens, nämlich die zentrale Anordnung der Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite, und ein Merkmal des luftgeführten Verfahrens, nämlich die beim Ansaugen erzwungene Ladungsbewegung im Brennraum, miteinander kombiniert. The mixture formation process according to the invention is a hybrid mixture formation process, which combines a feature of the spray-guided process, namely the central arrangement of the injection device in the cylinder head on the opposite side of the piston head, and a feature of the air-guided process, namely the charge movement in the combustion chamber forced upon suction ,
Vorliegend ist die Einspritzeinrichtung in einer Mittelebene angeordnet und damit zentral wie bei einem strahlgeführten Gemischbildungsverfahren. Die Mittelebene ist erfindungsgemäß definiert als die Ebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt. In the present case, the injection device is arranged in a center plane and thus centrally as in a spray-guided mixture formation process. The median plane is defined according to the invention as the plane which is perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in which the piston longitudinal axis is located.
Zur Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum dient aber nicht – wie beim strahlgeführten Verfahren – ausschließlich der Impuls des Einspritzstrahls bzw. der Einspritzstrahlen. Vielmehr wird die Gemischbildung, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wie beim luftgeführten Verfahren durch eine Ladungsbewegung im Brennraum, vorliegend einen Tumble, beschleunigt und unterstützt. But the distribution of the fuel in the combustion chamber is not - as in the spray-guided process - Only the pulse of the injection jet or the injection jets. Rather, the mixture formation, in particular the homogenization of the fuel-air mixture, as in the air-guided process by a charge movement in the combustion chamber, in this case a tumble, accelerated and supported.
Erfindungsgemäß sind der Tumble und die Einspritzeinrichtung aber nicht, wie beim luftgeführten Verfahren, in der Weise aufeinander abgestimmt und zueinander angeordnet, dass die Einspritzstrahlen gegen den Tumble gerichtet sind bzw. werden. Vielmehr wird gemäß dem erfindungsgemäßen Gemischbildungsverfahren ein Tumble im Brennraum erzeugt, bei dem die in den Brennraum eintretende Ladeluft auf die Auslassseite gerichtet ist, anschließend auf der Auslassseite entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt wird und im Bereich des Kolbens von der Auslassseite über den Kolbenboden in Richtung Einlassseite geleitet wird. Abschließend wird die kreisähnliche Strömung des Tumbles dadurch vervollständigt, dass die Ladeluft einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes und damit in Richtung der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung gelenkt wird. According to the invention, however, the tumble and the injection device are not, as in the case of the air-guided method, coordinated with one another and arranged relative to one another in such a way that the injection jets are or are directed against the tumble. Rather, according to the mixture formation process according to the invention, a tumble is generated in the combustion chamber, in which the charge air entering the combustion chamber is directed to the outlet side, then guided on the outlet side along the cylinder tube in the direction of the piston and in the region of the piston from the outlet side via the piston head in Direction inlet side is passed. Finally, the circle-like flow of the tumbles is completed by the fact that the charge air is directed on the inlet side along the cylinder tube in the direction of the cylinder head and thus in the direction of the centrally arranged injection device.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung sorgt für eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum und löst damit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor Einleitung der Fremdzündung besser homogenisiert wird. The inventive method for mixture formation provides for improved homogenization of the fuel-air mixture in the combustion chamber and thus solves the first object underlying the invention, namely to identify a method with which the fuel-air mixture in the combustion chamber better homogenized before initiating the spark ignition becomes.
Der erfindungsgemäße Tumble im Zusammenwirken mit der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung stellt zudem sicher, dass die Innenwände des Zylinderrohres nicht bzw. möglichst wenig mit Kraftstoff benetzt werden. Erreicht wird dies durch die Ladeluftströmung des erfindungsgemäßen Tumble, die auslassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt und einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes gelenkt wird. Dies wirkt sich insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen vorteilhaft aus, bei denen aufgrund der größeren Ladeluftmenge auch größere Kraftstoffmengen eingespritzt werden können bzw. einzuspritzen sind, weshalb der Gemischbildung eine besondere Bedeutung zukommt. The tumble according to the invention, in cooperation with the centrally arranged injection device, also ensures that the inner walls of the cylinder tube are not or are wetted as little as possible with fuel. This is achieved by the charge air flow of the tumble invention, the exhaust side along the cylinder tube is guided in the direction of the piston and the inlet side along the cylinder tube in the direction of the cylinder head is directed. This has an advantageous effect especially in supercharged internal combustion engines, in which larger amounts of fuel can be injected or injected due to the larger charge air quantity, which is why the mixture formation is of particular importance.
Eine derartige Strömungsführung sorgt zudem für eine gute Innenkühlung des Zylinders und damit auch für eine Absenkung der Prozesstemperaturen, wobei die entlang des Zylinderrohres und des Kolbenbodens geführte Ladeluft die Brennraumwände mittels Konvektion gekühlt werden. Such a flow guide also ensures good internal cooling of the cylinder and thus also for a reduction of the process temperatures, wherein the charge air guided along the cylinder tube and the piston crown, the combustion chamber walls are cooled by convection.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mittels Einspritzeinrichtung eingespritzte Kraftstoff unter Verwendung des erzeugten Tumbles weiträumig im Brennraum verteilt wird, die Gemischbildung mittels Tumble beschleunigt wird und das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Tumble homogenisiert wird. For the above-mentioned reasons, process variants are advantageous in which the fuel injected by means of the injection device is widely distributed in the combustion chamber using the generated tumbles, the mixture formation is accelerated by means of tumble and the fuel-air mixture is homogenized by means of tumble.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einem Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist,
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht, und
- – jeder Zylinder mit einer Einspritzeinrichtung ausgestattet ist, die im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders angeordnet ist, wobei die Einspritzeinrichtung in einer Mittelebene angeordnet ist, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt, und
- – das Ansaugsystem zum Zwecke einer Ladungsbewegung im Brennraum des mindestens einen Zylinders in der Art ausgebildet ist, dass im Rahmen eines Ladungswechsels ein Tumble im Brennraum entsteht.
- Each cylinder has on an inlet side at least one inlet opening for feeding the charge air via the intake system and on an outlet side at least one outlet opening for discharging the combustion gases via the exhaust removal system,
- Each cylinder comprises a combustion chamber formed by a piston crown of a cylinder-associated piston, a cylinder tube and the cylinder head,
- - The crankshaft is pivotally connected to the piston of each cylinder, so that the piston oscillates about a rotation axis rotating crankshaft along a piston longitudinal axis, wherein the piston longitudinal axis is perpendicular to the axis of rotation, and
- Each cylinder is equipped with an injector disposed in the cylinder head on the opposite side of the piston crown for direct injection of fuel into the combustion chamber of the cylinder, the injector being disposed in a median plane perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in FIG which is the piston longitudinal axis, and
- - The intake system is designed for the purpose of a charge movement in the combustion chamber of the at least one cylinder in such a way that, as part of a charge exchange, a tumble arises in the combustion chamber.
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. What has already been said for the method according to the invention also applies to the internal combustion engine according to the invention.
Der Ladeluftströmung wird beim Ansaugen eine Bewegung in der Art aufgezwungen, dass im Brennraum ein Tumble entsteht. Dabei trifft die via Einlassöffnung in den Brennraum eingeleitete Luftströmung auslassseitig auf das den Brennraum mit begrenzende Zylinderrohr, wird auslassseitig nach unten zum Kolben hin gelenkt, kolbenseitig über den Kolbenboden von der Auslassseite zur Einlassseite geleitet und einlassseitig in Richtung Zylinderkopf gelenkt. The charge air flow is forced upon suction, a movement in the way that creates a tumble in the combustion chamber. In this case, the airflow introduced via the inlet opening into the combustion chamber meets on the outlet side the combustion chamber with limiting cylinder tube, is directed downstream to the piston, on the piston side via the piston head from the outlet side to the inlet side directed and directed on the inlet side in the direction of the cylinder head.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen
- – der Kolbenboden jedes Kolbens eine Mulde aufweist, die einen Muldenboden und umfänglich den Muldenboden seitlich begrenzende Wandungen umfasst und die keilförmig in der Art ausgebildet ist, dass eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene von der Auslassseite in Richtung Einlassseite geneigt ist, so dass die Dachebene mit einer Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen spitzen Winkel α < 90° bildet.
- - The piston crown of each piston has a trough comprising a trough bottom and circumferentially the trough bottom laterally bounding walls and which is wedge-shaped in such a way that a virtual laid on the trough bottom roof level is inclined from the outlet side towards the inlet side, so that the roof plane with a reference plane, which span the axis of rotation of the crankshaft and the piston longitudinal axis, forms an acute angle α <90 °.
Die vorliegende Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verbessert die Gemischbildung nochmals deutlich, wobei insbesondere der Kolben mit der asymmetrisch ausgebildeten Mulde die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beschleunigt und unterstützt und den eingespritzten Kraftstoff von den Innenwandungen des Brennraums fernhält, d. h. einer Benetzung der Innenwände entgegenwirkt. The present embodiments of the internal combustion engine according to the invention significantly improves the mixture formation, in particular, the piston with the asymmetrically shaped trough accelerates and supports the homogenization of the fuel-air mixture and keeps the injected fuel from the inner walls of the combustion chamber, d. H. counteracts a wetting of the inner walls.
Die Luftströmung des Tumble strömt kolbenseitig über den Muldenboden der keilförmigen Mulde und folgt der Muldenkontur, d. h. die Ladeluft des Tumble folgt dem zur Einlassseite hin geneigten Muldenboden bis hin zu einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung, die sich in Richtung des Brennraumdachs erstreckt und die Luftströmung des Tumble in Richtung Zylinderkopf, d. h. nach oben, lenkt, wodurch der Tumble als Ganzes erst ausgebildet wird. Dies geht mit einer abrupten Änderung der Strömungsrichtung einher und der Erzeugung starker Turbulenzen. Die Strömungsumlenkung im Muldengrund, d. h. im Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden und der den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung, ist ursächlich dafür verantwortlich, dass die Ladeluftströmung und mit dieser der eingespritzte Kraftstoff anstatt einlassseitig auf das Zylinderrohr zu treffen in Richtung Zylinderkopf gelenkt wird. Die starken Turbulenzen fördern die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. The air flow of the tumble flows on the piston side over the trough bottom of the wedge-shaped trough and follows the trough contour, d. H. the charge air of the tumble follows the trough bottom inclined towards the inlet side up to a wall delimiting laterally the trough bottom on the inlet side, which extends in the direction of the combustion chamber roof and the air flow of the tumble toward the cylinder head, d. H. upward, directs, whereby the tumble is formed as a whole first. This is accompanied by an abrupt change in the direction of flow and the generation of strong turbulence. The flow deflection in the trough bottom, d. H. in the transition region between the trough bottom and the trough bottom on the inlet side laterally delimiting wall, is causally responsible for the charge air flow and with this the injected fuel rather than the intake side is directed to the cylinder tube in the direction of the cylinder head. The strong turbulence promote the homogenization of the fuel-air mixture.
Vorliegend ist der Muldenboden zur Einlassseite hin geneigt, wobei auf eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene Bezug genommen wird. Diese Formulierung trägt dem Umstand Rechnung, dass der Muldenboden als solcher nicht vollständig eben sein muss. D. h. Ausführungsformen des Kolbens, bei denen der Muldenboden teilweise oder vollumfänglich konkav geformt ist, können Bestandteil einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sein, d. h. diese mit ausbilden, solange eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene von der Auslassseite in Richtung Einlassseite geneigt ist, d. h. diese Dachebene mit einer Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen spitzen Winkel α < 90° bildet. Die virtuelle Dachebene und konkav ausgebildete Bodenbereiche weisen prinzipbedingt einen Abstand auf, beispielsweise bis zu 3 Millimeter. In the present case, the trough bottom is inclined towards the inlet side, reference being made to a virtual roof plane laid on the trough bottom. This formulation takes into account the fact that the trough bottom as such does not have to be completely flat. Ie. Embodiments of the piston in which the trough bottom is partially or fully concave-shaped, may be part of an internal combustion engine according to the invention, d. H. forming them as long as a virtual roof level laid on the trough bottom is inclined from the outlet side toward the inlet side, d. H. this roof plane with a reference plane, which span the axis of rotation of the crankshaft and the piston longitudinal axis, forms an acute angle α <90 °. The virtual roof level and concave floor areas have a principle of a distance, for example, up to 3 millimeters.
Vorteilhaft können jedoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die virtuelle Dachebene und der Muldenboden zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollumfänglich, abstandslos aufeinanderliegen. Bei dieser Ausführungsform ist der Muldenboden teilweise oder vollumfänglich eben. Vorzugsweise ist der Muldenboden im Wesentlichen eben, d. h. mehr als die Hälfte der Muldenbodenfläche ist eben. However, embodiments of the internal combustion engine can be advantageous in which the virtual roof level and the trough bottom at least partially, preferably completely, abut each other without a gap. In this embodiment, the trough bottom is partially or fully flat. Preferably, the well bottom is substantially planar, i. H. more than half of the trough bottom surface is level.
Damit die Dachebene im erfindungsgemäßen und auch im üblichen Sinne als geneigt gelten und angesehen werden kann, muss gelten α ≠ 90° bzw. α < 90°. Die Geometrie des Kolbens, insbesondere die Winkel α und β zur Beschreibung des Kolbens und zur Definition der geometrischen Merkmale des Kolbens, werden im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert. Thus, the roof level in the present invention and in the usual sense considered inclined and can be considered, must α ≠ 90 ° or α <90 °. The geometry of the piston, in particular the angles α and β for describing the piston and for defining the geometric features of the piston, are explained in more detail in the description of the figures.
Der einseitig geneigte Muldenboden führt auf einer Seite der dadurch keilförmig ausgebildeten Mulde zu einer vergrößerten Muldentiefe, nämlich auf der Einlassseite im Muldengrund, wobei gleichzeitig durch die Neigung das Muldenvolumen minimiert wird bzw. nicht in unvorteilhafter Weise über Gebühr vergrößert wird. In Folge dieser speziellen Gestalt der Mulde lässt sich mit dem Kolben ein hohes Kompressionsverhältnis realisieren und gleichzeitig eine verbesserte Ladungsbewegung über den Kolbenboden hinweg und damit eine verbesserte Gemischbildung. The unilaterally inclined trough bottom leads on one side of the thus wedge-shaped trough to an enlarged bowl depth, namely on the inlet side in the trough bottom, wherein at the same time by the inclination of the trough volume is minimized or not unfavorably increased excessively. As a result of this special shape of the trough can be realized with the piston, a high compression ratio and at the same time an improved charge movement over the piston crown and thus an improved mixture formation.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Folgenden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert. Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed below in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Winkel α ≥ 60° ist bzw. der Winkel α ≥ 70° ist bzw. der Winkel α ≥ 75° ist. Der Winkel ist im Einzelfall der jeweiligen Anwendung, d. h. der Brennkraftmaschine anzupassen. Embodiments of the internal combustion engine in which the angle α is 60 ° or the angle α ≥ 70 ° or the angle α ≥ 75 ° are advantageous. The angle is in the individual case of the particular application, d. H. to adapt the internal combustion engine.
Der Winkel bestimmt die Neigung des Muldenbodens und damit – wie oben bereits – dargelegt die maximale Muldentiefe im einlassseitigen Muldengrund und gleichzeitig das Muldenvolumen. Die Neigung des Muldenbodens hat wesentlichen Einfluss auf die Ladungsbewegung im Brennraum und damit auf die Gemischbildung und die Schadstoffemissionen. The angle determines the inclination of the trough bottom and thus - as already stated above - the maximum trough depth in the inlet-side trough bottom and at the same time the trough volume. The inclination of the trough bottom has a significant influence on the charge movement in the combustion chamber and thus on the mixture formation and the pollutant emissions.
Das Muldenvolumen bestimmt das Kompressionsverhältnis mit, wobei ein kleineres Muldenvolumen ein höheres Kompressionsverhältnis bedingt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass der Wirkungsgrad mit dem Kompressionsverhältnis mehr oder weniger korreliert, d. h. der Wirkungsgrad bei einem größeren Kompressionsverhältnis höher ist und bei einem kleineren Kompressionsverhältnis niedriger ist. Insofern ist ein höheres Kompressionsverhältnis vorteilhaft, da es den Wirkungsgrad steigert. The well volume determines the compression ratio with, with a smaller Trough volume causes a higher compression ratio. It should be noted in this context that the efficiency is more or less correlated with the compression ratio, ie the efficiency is higher with a larger compression ratio and lower with a smaller compression ratio. In this respect, a higher compression ratio is advantageous because it increases the efficiency.
Der Muldenboden sollte eine Mindestneigung aufweisen. Aus diesem Grunde sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Winkel α ≤ 87° ist bzw. der Winkel α ≤ 85° ist. The trough bottom should have a minimum slope. For this reason, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the angle α ≤ 87 ° and the angle α ≤ 85 °.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Muldenboden sich von der Auslassseite in Richtung Einlassseite flächenmäßig verjüngt. Dann wird die Ladeluftströmung beim Überstreichen des Muldenbodens in Richtung Einlassseite gewissermaßen eingeschnürt und beschleunigt, wodurch der Impuls und bei Umlenkung im Muldengrund die Turbulenzen erhöht werden. Embodiments of the internal combustion engine in which the trough bottom tapers in terms of area from the outlet side in the direction of the inlet side are advantageous. Then the charge air flow is constricted and accelerated as it passes over the trough bottom in the direction of the inlet side, whereby the momentum and upon deflection in the trough bottom, the turbulence is increased.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abstand zwischen zwei sich gegenüberliegenden und den Muldenboden seitlich begrenzenden Wandungen, die sich von der Auslassseite in Richtung Einlassseite erstrecken, in Richtung Einlassseite abnimmt. In this connection, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the distance between two mutually opposite and the trough bottom laterally bounding walls extending from the outlet side towards the inlet side, decreases in the direction of the inlet side.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Muldenboden eine trapezförmige Grundform aufweist. Embodiments of the internal combustion engine in which the trough bottom has a trapezoidal basic shape are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzende Wandung mit der Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen Winkel 0° ≤ β ≤ 30° bildet. Embodiments of the internal combustion engine in which a wall laterally delimiting the trough bottom on the inlet side with the reference plane, which span the axis of rotation of the crankshaft and the piston longitudinal axis, form an angle 0 ° ≦ β ≦ 30 ° are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Winkel β ≤ 20° ist bzw. der Winkel β ≤ 10° ist. In this connection, embodiments of the internal combustion engine in which the angle β is ≦ 20 ° or the angle β is ≦ 10 ° are advantageous.
Der Winkel β bestimmt den Grad der Umlenkung der Ladeluftströmung im Muldengrund, d. h. die Heftigkeit der Umlenkung und damit auch den Grad der erzeugten Turbulenzen. Ein weiterer geometrischer Parameter, der diesbezüglich Einfluss hat, ist der Krümmungsradius r im Muldengrund. The angle β determines the degree of deflection of the charge air flow in the trough bottom, d. H. the severity of the deflection and thus also the degree of turbulence generated. Another geometric parameter that has an influence in this regard is the radius of curvature r in the depression.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in einem Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden und einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung ein Muldengrund ausgebildet ist, der einen Krümmungsradius r aufweist mit 2mm ≤ r ≤ 10mm. Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which in a transition region between the trough bottom and a side wall delimiting the trough bottom on the inlet side, a trough base is formed which has a radius of curvature r of 2 mm ≦ r ≦ 10 mm.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine Einspritzdüse ist. Embodiments of the internal combustion engine in which the injection device is an injection nozzle are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse ist. Die Mehrlocheinspritzdüse bietet gegenüber einer piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüse Kostenvorteile und sollte vorzugsweise über 4 bis 10 seitlich angeordnete Düsenöffnungen verfügen. Embodiments of the internal combustion engine in which the injection nozzle is an inwardly opening multi-hole injection nozzle are advantageous. The multi-hole injection nozzle offers cost advantages over a piezoelectrically controlled injection nozzle and should preferably have from 4 to 10 laterally disposed nozzle openings.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse mit einer in Richtung der Längsachse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, wobei die Düsennadel die Düsenöffnungen in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt. Eine Düsennadel ermöglicht die mechanische Betätigung der Einspritzdüse bzw. die Steuerung des Einspritzvorganges. Embodiments of the internal combustion engine in which the injection nozzle is equipped with a nozzle needle displaceable in the direction of the longitudinal axis between a rest position and a working position in a nozzle needle guide are advantageous, wherein the nozzle needle closes the nozzle openings in the rest position and releases them in the working position for injection of the fuel. A nozzle needle allows the mechanical actuation of the injector or the control of the injection process.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse dezentral im Zylinderkopf mit einem Abstand zur Kolbenlängsachse angeordnet ist. Embodiments of the internal combustion engine in which the injection nozzle is arranged decentrally in the cylinder head at a distance from the piston longitudinal axis are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung im Wesentlichen vertikal, vorzugsweise vertikal, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse, im Zylinderkopf angeordnet ist. Embodiments of the internal combustion engine in which the injection device is substantially vertical, preferably vertical, d. H. parallel to the piston longitudinal axis, is arranged in the cylinder head.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mit einer Zündeinrichtung ausgestattet ist, die im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens zur Einleitung der Fremdzündung beabstandet zur Einspritzeinrichtung angeordnet ist. Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each cylinder is equipped with an ignition device which is arranged in the cylinder head on the opposite side of the piston head to initiate the spark ignition spaced from the injection device.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zündeinrichtung eine Zündkerze ist. Embodiments of the internal combustion engine in which the ignition device is a spark plug are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zündeinrichtung in der Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt, angeordnet ist. Embodiments of the internal combustion engine in which the ignition device is arranged in the center plane, which is perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft and in which the piston longitudinal axis lies, are advantageous.
Bei dieser Ausführungsformen sind die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung quer zur Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet. In these embodiments, the injector and the ignition device are arranged at a distance from one another transversely to the crankshaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist, vorzugsweise eine Abgasturboaufladung. Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which a charge is provided, preferably an exhaust gas turbocharger.
Dabei wird für die Aufladung vorzugsweise mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. In this case, at least one turbocharger is preferably used for the supercharging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft, wherein the hot exhaust gas stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in this turbine, whereby the shaft is rotated. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase. The advantages of the exhaust gas turbocharger, for example compared to a mechanical supercharger, are that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressor, realisiert wird, gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung. Nevertheless, embodiments of the internal combustion engine can be advantageous in which the charge is realized with at least one mechanical supercharger, for example a compressor, optionally also in combination with an exhaust gas turbocharger.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads in which the specific fuel consumption is lower.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Schadstoffemissionen erzielt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab. Charging therefore supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine. With targeted design of the charge also benefits in pollutant emissions can be achieved. The emissions of carbon dioxide, which correlate directly with fuel consumption, decrease anyway with decreasing fuel consumption.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigt: In the following the invention will be described in more detail with reference to two figures. Hereby shows:
Die via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluftströmung
Die Ladeluftströmung
Die Ladeluftströmung
Die Strömungsumlenkung im Muldengrund
Die Einspritzeinrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders ist mittig angeordnet, d. h. in einer Mittelebene, bezüglich der auf die
Der Tumble
Der Kolbenboden
Die Dachebene
Die Mulde
Der Muldengrund
Die keilförmige Mulde
Die Ladeluftströmung eines entgegen des Uhrzeigersinns gerichteten Tumbles folgt dem zur Einlassseite
Auf der Auslassseite
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Kolben piston
- 1a 1a
- Kolbenboden piston crown
- 1b 1b
- Kolbenlängsachse piston longitudinal axis
- 2 2
- Kolbenmulde piston bowl
- 2a 2a
- Muldenboden depression base
- 2b 2 B
- Muldenbodenfläche Recess bottom surface
- 3 3
- Auslassseite outlet
- 3a 3a
- auslassseitige Ventiltasche outlet valve pocket
- 4 4
- Einlassseite inlet side
- 4a 4a
- einlassseitige Ventiltasche inlet side valve pocket
- 5 5
- Mittelebene midplane
- 6 6
- Dachebene roof level
- 7 7
- von der Drehachse der Kurbelwelle und der Kolbenlängsachse aufspannte Bezugsebene from the axis of rotation of the crankshaft and the piston longitudinal axis spanned reference plane
- 8 8th
- eine den Muldenboden seitlich begrenzende Wandung a the trough bottom laterally limiting wall
- 9 9
- eine den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzende Wandung a wall bounding the trough bottom on the inlet side laterally
- 10 10
- Muldengrund bowl base
- 11a 11a
- via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluftströmung via the opened inlet opening into the combustion chamber entering charge air flow
- 11b 11b
- auslassseitig entlang des Zylinderrohres geführte Ladeluftströmung Charge air flow guided along the cylinder tube on the outlet side
- 11c 11c
- kolbenseitig über den Kolbenboden geleitete Ladeluftströmung Charge air flow guided on the piston side over the piston head
- 11d 11d
- einlassseitig entlang des Zylinderrohres gelenkte Ladeluftströmung Charge air flow directed along the cylinder tube on the inlet side
- 12 12
- Zylinderrohr cylinder tube
- 13 13
- Zylinderkopf, Brennraumdach Cylinder head, combustion chamber roof
- 14 14
- Tumble Tumble
- 15 15
- Einspritzkegel Injection cone
- 15a 15a
- Einspritzstrahlen Injection jets
- α α
- Winkel zwischen der Dachebene und der Bezugsebene Angle between the roof plane and the reference plane
- β β
- Winkel zwischen einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung und der Bezugsebene Angle between a side wall delimiting the trough bottom on the inlet side and the reference plane
- r r
- Krümmungsradius des Muldengrundes Radius of curvature of the trough bottom
Claims (18)
Priority Applications (1)
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DE201310221308 DE102013221308A1 (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method |
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DE201310221308 DE102013221308A1 (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for mixture formation in a direct-injection spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016014931A1 (en) | 2016-12-15 | 2017-07-20 | Daimler Ag | Method for operating a reciprocating internal combustion engine of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle |
-
2013
- 2013-10-21 DE DE201310221308 patent/DE102013221308A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016014931A1 (en) | 2016-12-15 | 2017-07-20 | Daimler Ag | Method for operating a reciprocating internal combustion engine of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle |
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