DE10326054A1

DE10326054A1 - Vorrichtung zum Betreiben einer Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10326054A1
Application number: DE10326054A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dengler; Michael Kuhn; Ralf Dr. Budach
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: DE10326054B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei der der Gaswechsel im zumindest einen Brennraum über zwei in einem das Zylindergehäuse abdeckenden Zylinderkopf angeordnete Einlassventile und zumindest ein Auslassventil gesteuert ist, wobei ferner etwa in der verlängerten Zylindermittelachse eine Zündkerze und seitlich des Zylinders eine Einspritzdüse angeordnet ist, die, in Draufsicht gesehen, zwischen den beiden Einlassventilen den Kraftstoff einspritzt, und wobei um die Einlassöffnungen am Zylinderkopf eine Tumbleströmung im Brennraum initiierende, in den Brennraum abragende, stegförmige Abschirmungen vorgesehen sind, die halbkreisförmig, um die Teller der Einlassventile verlaufend, der Einspritzdüse zugewandt sind und somit die einströmende Verbrennungsluft etwa parallel zum seitlichen Kraftstoffstrahl und gleichgerichtet dazu ablenken. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine bei verbesserter Zündsicherheit wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Abschirmungen im Bereich des Kraftstoffstrahls derart unterbrochen ist, dass der Kraftstoffstrahl unmittelbar einem Anteil der einströmenden Verbrennungsluft ausgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes beschreibt beispielsweise die US 6,341,591 B1 . Dabei sind zur Unterstützung einer Tumble-Strömung der in den Brennraum einströmenden Verbrennungsluft am Zylinderkopf im Bereich der Einströmöffnungen der Einlassventile halbkreisförmige Abschirmungen vorgesehen (vgl. 13 und 14), die die Verbrennungsluft entsprechend ablenken. Die seitlich und zwischen den Einlassventilen (in der Draufsicht gesehen) angeordnete Einspritzdüse für den Kraftstoff liegt strömungstechnisch „hinter" den Abschirmungen, so dass der Kraftstoffstrahl relativ unvermischt auf die initiierte Tumbleströmung im Brennraum trifft und ggf. teilweise auf die Brennraumoberflächen verdrängt wird (unerwünschte Wandbenetzung).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass bei einer verbesserten Gemischaufbereitung im Brennraum eine Wandbenetzung der Brennraumoberflächen vermehrt vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angeführt.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Abschirmungen im Bereich des Kraftstoffstrahls derart unterbrochen ist, dass der Kraftstoffstrahl unmittelbar einem Anteil der einströmenden Verbrennungsluft ausgesetzt ist. Zudem kann eine Düsenschnaupe eingebracht werden, die eine direkte Wandbenetzung des Brennraums verhindert. So gelingt es, mit einer relativ einfachen Maßnahme, den Kraftstoffstrahl unmittelbar bei der Einspritzung mit Verbrennungsluft zu beaufschlagen und turbulent in die im Brennraum vorliegende Tumbleströmung einzukoppeln. Der eingespritzte Kraftstoff verbleibt vermehrt unter Vermeidung von Wandbenetzung im Wirbelzentrum und kann hier auch bei extrem hohem Luftüberschuss zuverlässig über die Zündkerze gezündet werden. Die Brennkraftmaschine kann daher Kraftstoff sparend mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden, wobei durch die angehobene Zündaussetzergrenze eine erhöhte Betriebssicherheit gegeben ist.

Je nach spezifischer Brennraumgestaltung können nur eine Abschirmung oder bevorzugt beide Abschirmungen im Bereich des Kraftstoffstrahls unterbrochen sein. Insbesondere letztere, symetrische Gestaltung der Abschirmungen erlaubt ein beidseitiges Anströmen und Einbinden des Kraftstoffstrahls unmittelbar bei der Einspritzung und Einleitung in die besagte Tumbleströmung.

Alternativ oder zusätzlich können ferner zumindest eine der Abschirmungen, bevorzugt jedoch beide, gegenüber einer halbkreisförmigen Ausbildung im Bereich des Kraftstoffstrahls verkürzt sein. Neben einer einfacheren baulichen Gestaltung der Abschirmungen verbleibt zwischen den Abschirmungen ein symmetrisch zwischen den Einlassventilen liegender Freiraum, durch den zusätzlich die Verbrennungsluft unmittelbar zum Kraftstoffstrahl gerichtet einströmen kann. In diesem Freiraum kann die Düsenschnaupe angebracht werden, so dass dadurch eine Ausnehmung gebildet ist, die eine Wandbenetzung verhindert.

Des weiteren können vorteilhaft eine oder beide Abschirmungen beginnend von einer durch beide Ventilachsen in der Brennraumebene gelegten Geraden um einen Winkel von ca. 130 Grad bis 160 Grad um die Teller der Einlassventile herum einander entgegengerichtet verlaufen. Der zwischen den Abschirmungen gelegene Freiraum beträgt somit ca. 100 Grad bis 40 Grad, bevorzugt ca. 90 Grad bis 60 Grad, in welchem Umfangsbereich Verbrennungsluft aus den Einlassöffnungen des Zylinderkopfes in den Brennraum bzw. unmittelbar zum Kraftstoffstrahl zusätzlich einströmen kann.

Die in den Brennraum ragenden Abschirmungen können eine Höhe von in etwa 0,1 bis 4 mm besitzen; eine gerichtete Tumbleströmung wird dementsprechend über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine aufrechterhalten. Alternativ können jedoch bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung die in den Brennraum ragenden Abschirmungen eine Höhe von ca. dem Ventilhub der Einlassventile bis zu einer Drehzahl von etwa 4500 min-1 aufweisen. Dann wird mit höherer Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine und entsprechend erhöhtem Ventilhub die Stärke des Tumbles durch die nachlassende Wirkung der Abschirmungen zurückgenommen, bei gleichzeitiger Zunahme der spezifischen Einspritzmenge.

Schließlich kann der mittlere Winkel des Kraftstoffstrahls bei der Einspritzung zwischen 10 Grad bis 30 Grad gegenüber einer durch die Zylinderachse gelegten Senkrechten geneigt sein, der Kraftstoffstrahl also relativ nahe zu den Tellern der Einlassventile bzw. der zusätzlich einströmenden Verbrennungsluft gelenkt sein. Der Kraftstoffstrahl trifft damit vermehrt tangential auf die Tumble-Wirbelwalze im Brennraum und verstärkt somit tendenziell die Tumbleströmung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.

Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in:
1 einen Querschnitt entlang der Linie I-I der 2 durch das Zylindergehäuse und einen Zylinderkopf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Direkteinspritzung; und
2 eine Ansicht des Brennraumes der Brennkraftmaschine nach 1 von unten auf den Zylinderkopf.
In der 1 ist mit 10 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, mit einem Zylindergehäuse 12 (oder einem Zylinderkurbelgehäuse) und einem das Zylindergehäuse 12 nach oben abschließenden Zylinderkopf 14. Soweit nicht beschrieben kann die ggf. mehrzylindrische Brennkraftmaschine 10 herkömmlicher Bauart sein.
In dem Zylindergehäuse 12 ist in dessen Zylinderbohrung 16 ein Kolben 18 verschiebbar geführt, in dessen dem Brennraum 20 zugewandtem Boden eine Tumbleströmung (Wirbelwalze mit senkrecht zur Zylinderachse 22 gerichteter imaginärer Achse, vgl. auch eingezeichneten Pfeil 24) der Verbrennungsluft unterstützende Ausnehmung 26 eingearbeitet ist. Der Kolben 18 ist in nicht dargestellter Weise über ein Pleuel mit dem Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine verbunden.
In dem Zylinderkopf 14 begrenzt eine weitere Ausnehmung 28 definierter Gestaltung den Brennraum 20, in den zwei Einlassventile 30 und zwei Auslassventile 32 über eine nicht dargestellte Ventilsteuerung den Gaswechsel im Brennraum 20 steuern. Die Teller 30a, 32a der Ventile 30, 32 decken dabei im geschlossenen Zustand kreissymmetrisch ausmündende Einlassöffnungen 34a von Einlasskanälen 34 (es ist nur ein Einlasskanal 34 ersichtlich) und Auslassöffnungen 36a von Auslasskanälen 36 ab.
Wie die 2 zeigt, sind dabei die Einlassventile 34 bzw. deren Teller 34a auf einer Längsseite der Brennkraftmaschine 10 und die Auslassventile 36 bzw. deren Teller 36a auf der anderen Längsseite angeordnet, während eine Zündkerze 38 etwa in der Zylindermittelachse liegend in den Brennraum 20 einragt. Die Zündkerze 38 ist in üblicher Weise in den Zylinderkopf 14 von oben eingeschraubt und in bekannter Weise mit dem Zündsystem zur Fremdzündung der Brennkraftmaschine verbunden.
Ferner ragt in den Brennraum 20 (vgl. 1) eine Einspritzdüse 40 ein, die wie ersichtlich seitlich und in der Draufsicht gesehen (vgl. 2) zwischen den Tellern 34a der Einlassventile 34 positioniert ist. Der eingezeichnete Kraftstoffstrahl 40a ist dabei bei der Einspritzung auf einen Winkel α von ca. 20 Grad gegenüber einer auf die Zylinderachse 22 gelegten Senkrechten eingestellt. Die Einspritzdüse 40 ist im übrigen bekannter Bauart und mit einem nicht dargestelltem Einspritzsystem der Brennkraftmaschine 10 verbunden.
Um die Einspritzöffnungen 34a sind an den Zylinderkopf 14 bzw. in der Brennraum-Ausnehmung 28 halbkreisförmig umlaufende, stegförmige Abschirmungen 42, 44 angeformt, deren in den Brennraum 20 ragende Höhe etwa gleich dem vorgegebenen Ventilhub der Einlassventile 34 entspricht. Durch diese Abschirmungen 42, 44 sind die Einlassöffnungen 34a der Einlassöffnungen bei geöffneten Einlassventilen 34 im wesentlichen nur in den Umfangsbereichen (vgl. 2) offen, in denen keine Abschirmung 42, 44 ausgebildet ist.
Dies führt dazu, dass der einströmenden Verbrennungsluft im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine 10 (vgl. 1) die mit dem Pfeil 24 eingezeichnete Tumbleströmung über die etwa halbkreisförmig geöffneten Einlassöffnungen 34a aufgeprägt wird.
Die Abschirmungen 42, 44 verlaufen ferner beginnend ungefähr bei einer durch die Mittelachsen der Einlassventile 34 in der Brennraumebene bzw. der Teller 34a gelegten Geraden 46 über jeweils ca. 135 Grad aufeinander zu und bilden somit zwischen den Einlassventilen 34 im Bereich der seitlichen Einspritzdüse 40 einen nicht abgeschirmten, weiteren Umfangsbereich, der eine zusätzliche Anströmung des Kraftstoffstrahls 40a bei der Einspritzung mit Verbrennungsluft ermöglicht und zusätzlich eine Wandbenetzung vermeidet.
Diese zusätzliche Anströmung des Kraftstoffstrahls 40a „drückt" den Kraftstoffstrahl 40a tangential in die Tumbleströmung 24 bei gleichzeitiger Verwirbelung hinein und vermeidet vermehrt eine Wandbenetzung des Brennraumes, insbesondere im Bereich der Zündkerze 38.
Anstelle der beschriebenen Verkürzung der Abschirmungen 42, 44 können diese auch mit gezielten Unterbrechungen bzw. Ausnehmungen versehen sein, um eine zusätzliche Anströmung des Kraftstoffstrahls 40a sicherzustellen.
Des weiteren können die in den Brennraum 20 ragenden Abschirmungen 42, 44 eine Höhe von in etwa 0,1 bis 4 mm aufweisen, wobei die Höhe der in den 1 und 2 dargestellten beispielhaften Ausführung der Abschirmungen 42, 44 ca. dem Ventilhub der Einlassventile 34 entspricht.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer fremdgezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei der der Gaswechsel im zumindest einen Brennraum über zwei in einem das Zylindergehäuse abdeckenden Zylinderkopf angeordnete Einlassventile und zumindest ein Auslassventil gesteuert ist, wobei ferner etwa in der verlängerten Zylindermittelachse eine Zündkerze und seitlich des Zylinders eine Einspritzdüse angeordnet ist, die in Draufsicht gesehen zwischen den beiden Einlassventilen den Kraftstoff einspritzt, und wobei um die Einlassöffnungen am Zylinderkopf eine Tumbleströmung im Brennraum initiierende, in den Brennraum abragende, stegförmige Abschirmungen vorgesehen sind, die halbkreisförmig um die Teller der Einlassventile verlaufend der Einspritzdüse zugewandt sind und somit die einströmende Verbrennungsluft etwa parallel zum seitlichen Kraftstoffstrahl und gleichgerichtet dazu ablenken, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Abschirmungen (42, 44) im Bereich des Kraftstoffstrahls (40a) derart unterbrochen ist, dass der Kraftstoffstrahl (40a) unmittelbar einem Anteil der einströmenden Verbrennungsluft ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abschirmungen (42, 44) im Bereich des Kraftstoffstrahls (40a) unterbrochen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Abschirmungen (42, 44) gegenüber einer halbkreisförmigen Ausbildung im Bereich des Kraftstoffstrahls (40a) verkürzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abschirmungen (42, 44) etwa im gleichen Maße verkürzt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Abschirmungen (42, 44) beginnend von einer durch beide Ventilmittelachsen in der Brennraumebene gelegten Geraden (46) um einen Winkel von ca. 130 Grad bis 160 Grad um die Teller (34a) der Einlassventile (34) herum einander entgegengerichtet verlaufen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brennraum (20) ragenden Abschirmungen (42, 44) eine Höhe von in etwa 0,1 bis 4 mm besitzen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel α des Kraftstoffstrahls (40a) bei der Einspritzung zwischen 10 Grad bis 30 Grad gegenüber einer durch die Zylinderachse (22) gelegten Senkrechten geneigt ist.