DE10207123A1

DE10207123A1 - Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches

Info

Publication number: DE10207123A1
Application number: DE10207123A
Authority: DE
Inventors: Bizhan Befrui; Hugues Wanlin
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Bei einem Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor wird Kraftstoff zentral in die Brennkammer des Zylinders eingespritzt und unter Hochdruck vernebelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor sowie einen Motorblock zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren steht zunehmend die Forderung nach geringem Kraftstoffverbrauch und niedrigsten Schadstoffemissionen im Vordergrund. In diesem Zusammenhang wurden in der Vergangenheit bereits Direkteinspritzverfahren entwickelt, bei denen Kraftstoff in die Brennkammer eines Motors eingespritzt und innerhalb der Brennkammer durch Kontakt mit dem Kolbenboden und/oder der Zylinderwand verwirbelt wird. Nach der Verwirbelung wird das Kraftstoffgemisch mit Hilfe einer Zündkerze gezündet.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass hierbei eine Verbrennung von flüssigem Kraftstoff an dem Kolbenboden oder der Zylinderwand erfolgt, was den Schadstoffausstoß sowie den Kraftstoffverbrauch negativ beeinflusst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches zu schaffen, mit dem der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß minimiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch ein Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor, in dessen Zylinderkurbelgehäuse zumindest ein Zylinder mit einem darin angeordneten Kolben vorgesehen ist. Bei dem Verfahren wird der Kraftstoff zentral in die Brennkammer des Zylinders eingespritzt und dabei unter Hochdruck so fein zerstäubt, dass er mit Hilfe eines zentral erzeugten Zündfunkens gezündet werden kann, noch bevor der zerstäubte Kraftstoff auf dem Kolbenboden oder der Zylinderwand auftrifft. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Kraftstoffgemisch zu einem Nebel zerstäubt, der sich in sehr geringer Entfernung von der Einspritzstelle entwickelt. Gleichzeitig wird der Zündfunken in der Nähe der Einspritzstelle erzeugt, so dass der Kraftstoffnebel gezündet werden kann, bevor er auf dem Kolbenboden oder der Zylinderwand auftrifft. Hierdurch wird verhindert, dass sich größere Mengen flüssigen Kraftstoffs an dem Kolbenboden oder der Zylinderwand ansammeln und dort unter der Bildung von Rückständen verbrennen.
Erfindungsgemäß wird unter einer zentralen Einspritzung bzw. Zündung eine solche verstanden, die sich im Bereich der Mittelachse des Zylinders befindet, d. h. angrenzend an die Mittelachse oder in unmittelbarer Nachbarschaft der Mittelachse.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich einerseits die Schadstoffemissionen erheblich reduzierten. Andererseits wird der Kraftstoffverbrauch deutlich herabgesetzt. Die kontrollierte Steuerung der Verbrennung wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht, wobei das Verfahren auch bei Motoren mit Turbo-Lader Anwendung finden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einspritzen und das Zünden des Kraftstoffs an zwei Positionen innerhalb der Brennkammer, die zentral angeordnet und insbesondere nur etwa 8 bis 18 mm voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der erzeugte Kraftstoffnebel innerhalb der Brennkammer besonders früh gezündet wird, so dass es innerhalb der Brennkammer nicht zu Bildung von flüssigen Kraftstofftropfen größeren Volumens kommen kann.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse haben sich bei einer Anordnung gezeigt, bei der das Einspritzen und das Zünden des Kraftstoffgemisches an zwei Positionen innerhalb der Brennkammer erfolgt, die in einer Ebene parallel zur Kurbelwellenachse angeordnet sind.
Eine besonders vorteilhafte Partikelgröße des erzeugten Kraftstoffnebels beträgt etwa 15 bis 25 Sauter-Durchmesser (SMD-Sauter Mean Diameter). Hierbei kann der Kraftstoff mit einem Druck in der Größenordnung von etwa 100-200 Bar in die Brennkammer eingespritzt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese einen Motorblock für einen Verbrennungsmotor zur Durchführung des o. g. Verfahrens, wobei der Motorblock ein Zylinderkurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder zur Aufnahme eines Kolbens aufweist, der zum Antrieb einer Kurbelwelle dient. Der Motorblock besitzt einen Zylinderkopf mit zumindest zwei Öffnungen für jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil. Ferner sind eine Zündkerzenbohrung und eine Einspritzventilbohrung vorgesehen, wobei beide Bohrungen in einer Ebene parallel zur Kurbelwellenachse und zwischen den beiden Öffnungen für das Einlassventil und das Auslassventil angeordnet sind.
Ein derartiger Motorblock eignet sich besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, da Einspritzventil und Zündkerze in einem Bereich angeordnet sind, der strömungstechnisch günstig und nicht übermäßigen Temperaturen ausgesetzt ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mündungen der Bohrungen nahe des Zentrums des Zylinders angeordnet sind. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest eine Mündung der Bohrungen an eine Mittelachse des Zylinders angrenzen.
Um die beiden Mündungen der Bohrungen möglichst gering zu beabstanden und dabei gleichzeitig zentrisch im Brennraum anzuordnen, kann es vorteilhaft sein, beide Bohrungen unter einem Winkel zueinander anzuordnen. Bevorzugt verläuft dabei die Bohrung für das Einspritzventil koaxial zur Zylinderachse. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, diese Bohrung um etwa 0° bis 30° gegenüber der Zylinderachse zu neigen. Als Winkel zwischen den beiden Bohrungen hat sich ein Winkel in der Größenordnung von 20° bis 70°, insbesondere etwa 30°, als vorteilhaft herausgestellt.
Bevorzugt weisen die beiden Mündungen der Bohrungen einen nur sehr geringen Abstand voneinander auf. Vorteilhaft ist hierbei ein Abstand in der Größenordung von etwa 8 bis 18 mm.
Bei dem erfindungsgemäßen Motorblock kann das Dach der Brennkammer in einem Längsschnitt senkrecht zur Kurbelwellenachse einen Scheitel bilden, wobei beide Bohrungen im Scheitel in die Brennkammer münden. Gleichzeitig kann das Dach der Brennkammer in einer Ebene parallel zur Kurbelwellenachse im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Mit einer solchen Anordnung haben sich gute Ergebnisse erzielen lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Motorblock eignen sich besonders gut in Verbindung mit einem Kolben, der eine Kolbenmulde aufweist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motorblock in der Kolbenbolzenebene;
Fig. 2 eine Unteransicht des Motorblocks von Fig. 1, wobei der Kolben nicht dargestellt ist;
Fig. 3 eine ausschnittsweise Querschnittsansicht durch den Motorblock von Fig. 1 entlang der Linie III-III von Fig. 2; und
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kolben von Fig. 1 und Fig. 3.
In den Figuren ist ausschnittsweise ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkurbelgehäuse 10 dargestellt, in dem ein Zylinder 12 zur Aufnahme eines Kolbens 14 vorgesehen ist, der zum Antrieb einer Kurbelwelle dient.
Der Motorblock weist einen Zylinderkopf 16 auf, der zwei Öffnungen 18 und 20 für jeweils ein Einlassventil (Fig. 2) sowie zwei weitere Öffnungen 22 und 24 für jeweils ein Auslassventil aufweist. Jede der Öffnungen 20 bis 24 ist in einem Quadranten des Zylinders 12 angeordnet.
Wie Fig. 1 zeigt, ist der Zylinderkopf 16 des Motorblocks mit einer Zündkerzenbohrung 26 und einer Einspritzventilbohrung 28 versehen, wobei beide Bohrungen 26 und 28 in der Brennkammer 30 des Motorblocks münden.
Eine weitere Bohrung 32 erstreckt sich bis in das Innere der Brennkammer 30 und dient zur Aufnahme eines Drucksensors. Hierbei sind sämtliche Bohrungen 26, 28 und 32 in einer Ebene angeordnet, die parallel zur Kurbelwellenachse verläuft.
Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, sind die beiden Mündungen der Bohrungen 26 und 28 zentral angeordnet, wobei die Mündung der Bohrung 26 an die Mittelachse des Zylinders angrenzt. Die Mündungen beider Bohrungen 26 und 28 sind um einen Abstand D voneinander beabstandet, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 13 mm beträgt.
Die Mittelachse der Bohrung 28 für das Einspritzventil ist um einen Winkel α zur Horizontalebene des Zylinders geneigt, der etwa 70 bis 90° betragen kann. Der Winkel zwischen den Mittelachsen der Bohrungen 26 und 28 kann etwa 20 bis 70° betragen.
Wie die Fig. 1 und 3 zeigen, bildet das Dach der Brennkammer 30 in einem Längsschnitt senkrecht zur Kurbelwellenachse einen Scheitel 34, wobei beide Bohrungen 26 und 28 im Bereich des Scheitels 34 münden. Ferner ist das Dach der Brennkammer in der Kolbenbolzenebene im Wesentlichen eben ausgebildet (Fig. 1).
Der in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellte Kolben weist im Bereich des Kolbenbodens eine etwa kreisförmige Kolbenmulde 36 auf, deren Tiefe etwa 15 bis 20% des Kolbendurchmessers beträgt. Der Durchmesser der Kolbenmulde 36 beträgt etwa 60% des Kolbendurchmessers.
Vorstehend wurde die Erfindung anhand eines Motorblockes mit nur einem Zylinder dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung bei Motoren mit beliebiger Zylinderanzahl Anwendung finden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches in dem oben beschriebenen Verbrennungsmotor wird Kraftstoff durch ein in die Bohrung 28 eingesetztes Einspritzventil unter hohem Druck in der Größenordnung von etwa 200 Bar in die Brennkammer des Zylinders eingespritzt und dabei so fein vernebelt, dass der Kraftstoff mit Hilfe eines Zündfunkens, der von einer in die Bohrung 26 eingesetzten Zündkerze erzeugt wird, gezündet werden kann. Hierbei geschieht das Zünden des Kraftstoffnebels zu einem Zeitpunkt, bevor dieser auf dem Kolbenboden oder der Brennkammerwand auftrifft, d. h. es erfolgt keine Umlenkung oder Verwirbelung des Kraftstoffnebels durch Reflexion an einer Brennkammerwand. Durch dieses Verfahren werden die eingangs beschriebenen Vorteile erzielt. Bezugszeichenliste 10 Zylinderkurbelgehäuse
12 Zylinder
14 Kolben
16 Zylinderkopf
18, 20 Öffnungen für Einlassventile
22, 24 Öffnungen für Auslassventile
26 Bohrung für Zündkerze
28 Bohrung für Einspritzventil
30 Brennkammer
32 Bohrung für Drucksensor
34 Scheitel des Brennkammerdaches
36 Kolbenmulde
α Neigung des Einspritzventils
β Neigung zwischen Einspritzventil und Zündkerze
D Mündungsabstand

Claims

1. Verfahren zum Zünden eines Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor, in dessen Zylinderkurbelgehäuse zumindest ein Zylinder mit einem darin angeordneten Kolben vorgesehen ist, bei welchem Verfahren der Kraftstoff zentral in die Brennkammer des Zylinders eingespritzt und dabei unter Hochdruck so fein vernebelt wird, dass er mit Hilfe eines Zündfunkens gezündet werden kann, bevor er auf dem Kolbenboden oder der Zylinderwand auftrifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen und das Zünden an zwei Positionen innerhalb der Brennkammer erfolgt, die zentral angeordnet und insbesondere nur etwa 8 bis 18 mm voneinander beabstandet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen und das Zünden an zwei Positionen innerhalb der Brennkammer erfolgt, die in einer Ebene parallel zur Kurbelwellenachse angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zu Tröpfchen mit einer Partikelgröße von etwa 15 bis 25 Sauter-Durchmesser (SMD) zerstäubt wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit einem Druck von etwa 100-200 bar in die Brennkammer eingespritzt wird.

6. Motorblock für einen Verbrennungsmotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit
einem Zylinderkurbelgehäuse (10) mit zumindest einem Zylinder (12) zur Aufnahme eines Kolbens (14), der zum Antrieb einer Kurbelwelle dient,
einem Zylinderkopf (16) mit zumindest zwei Öffnungen (18, 22; 20, 24) für jeweils ein Einlass- und ein Auslassventil,
einer Zündkerzenbohrung (26), und
einer Einspritzventilbohrung (28),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündkerzenbohrung (26) und die Einspritzventilbohrung (28) in einer Ebene parallel zur Kurbelwellenachse zwischen den beiden Öffnungen (18, 22; 20, 24) angeordnet sind.

7. Motorblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Mündungen der Bohrungen (26, 28) an eine Mittelachse des Zylinders angrenzt.

8. Motorblock nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungen beider Bohrungen (26, 28) unmittelbar benachbart zu einer Mittelachse des Zylinders angeordnet sind.

9. Motorblock nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bohrungen (26, 28) unter einem Winkel (β) zueinander angeordnet sind und im Bereich der Zylindermitte in den Zylinder (12) münden.

10. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bohrungen (26, 28) unter einem Winkel zur Mittelachse des Zylinders (12) angeordnet sind.

11. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzventilbohrung (28) unter einem Winkel (90° - α) von etwa 0 bis 30° zur Mittelachse des Zylinders angeordnet ist.

12. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bohrungen (26, 28) unter einem Winkel (β) von etwa 20 bis 70° zueinander angeordnet sind.

13. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bohrungen (26, 28) zwischen der Öffnung (18, 20) für das Einlassventil und der Öffnung für das Auslassventil (22, 24) in den Zylinder (12) münden.

14. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Mündungen der beiden Bohrungen (26, 28) in dem Zylinder (12) um etwa 8 bis 18 mm voneinander beabstandet sind.

15. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dach der Brennkammer (30) in einem Längsschnitt senkrecht zur Kurbelwellenachse einen Scheitel (34) bildet und dass beide Bohrungen (26, 28) im Scheitel (34) in die Brennkammer (30) münden.

16. Motorblock nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Dach der Brennkammer (30) in der Kolbenbolzenebene im Wesentlichen eben ist.

17. Verbrennungsmotor mit einem Motorblock nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 16 und mit einem Kolben (14), der eine Kolbenmulde (36) aufweist.