DE19546945A1 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraft­ maschine mit einem Brennraum, der von einem Kolben im Zy­ linder der Brennkraftmaschine und der Innenwand eines Zy­ linderkopfes begrenzt ist, nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE 43 24 642 A1 bekannt. Der Kraftstoff wird von einer Ein­ spritzdüse in der Wandung des Zylinderkopfes etwa kegelför­ mig in den Brennraum eingespritzt und bildet dort zusammen mit zugeführter Verbrennungsluft ein zündfähiges Kraft­ stoff/Luftgemisch. Das Gemisch wird von einer weit in den Brennraum einragenden Zündkerze gezündet, deren Elektroden von dem eingespritzten Kraftstoff regelmäßig benetzt wer­ den. Dies hat den Nachteil, daß sich im Lauf der Zeit auf den Elektroden Ruß absetzen kann, der die Ausbildung eines Zündfunkens verhindern kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch die Aufheizung der Elektroden im Bereich des eingespritzten Kraftstoffkegels die Klopfneigung erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direktein­ spritzende Brennkraftmaschine in der Weise auszubilden, daß über einen langen Betriebszeitraum ein ordnungsgemäßes Ar­ beiten der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Infolge des Abstandes des eingespritzten Kraftstoffkegels von den Elektroden der Zündkerze ist die Gefahr des Ver­ rußens und der Klopfneigung reduziert. In diesem Zwischen­ raum zwischen dem Kraftstoffkegel und den Elektroden bildet sich ein Gemischwirbel, der von dem Zündfunken der Zünd­ kerze entzündet wird, welche außerhalb des Kraftstoffke­ gels, aber im Strömungsbereich des Gemischwirbels angeord­ net ist. Der Gemischwirbel entsteht durch verwirbeltes Kraftstoff/Luftgemisch, das auf der Mantelfläche des Kraft­ stoffkegels mitgerissen und in den Zwischenraum transpor­ tiert wird. Die Verbrennung breitet sich von dem Gemisch­ wirbel im Zwischenraum aus und erfaßt das gesamte im Brenn­ raum befindliche Kraftstoff/Luftgemisch. Ein direkter Kon­ takt des Kraftstoffkegels mit den Elektroden der Zündkerze ist dabei vermieden.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Zündkerzen- Elektroden kurz ausgebildet sein können, da nunmehr vorge­ sehen ist, die Elektroden mit Abstand zum eingespritzten Kraftstoffkegel anzuordnen.

Vorteilhaft liegt die Mantelfläche des Kraftstoffkegels zu­ mindest an derjenigen Stelle, an der die Elektroden der Zündkerze angeordnet sind, mit Abstand zur Innenwand des Zylinderkopfes. In diesem Zwischenraum zwischen dem Kraft­ stoffkegel und der Innenwand bildet sich der Gemischwirbel aus, der von den in den Zwischenraum einragenden Elektroden der Zündkerze zu zünden ist.

Der Zwischenraum kann gemäß einer Weiterbildung der Erfin­ dung als durchgehender Luftspalt zwischen dem Kraftstoffke­ gel und der Innenwand des Zylinderkopfes ausgebildet sein.

In diesen Luftspalt kann Kraftstoffteilchen enthaltende Luft einströmen, die von dem in den Brennraum einge­ spritzten Kraftstoff verdrängt wird und in den Bereich der Zündkerze zurückströmt. Während der Rückströmung der Luft entlang der Innenwand werden weitere Kraftstoffteilchen aus dem Kraftstoffkegel mitgerissen, wodurch die Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luftgemisches im Bereich der Zünd­ kerzenelektroden unterstützt wird.

Die Bildung eines derartigen Luftspaltes ist zweckmäßig da­ durch erreicht, daß die den Brennraum begrenzende Innenwand etwa kegelförmig ausgebildet ist und die Mantelfläche des Kraftstoffkegels vorteilhaft etwa parallel zur Innenwand verläuft.

Vorzugsweise liegen die Zündkerzen-Elektroden in einer Aus­ nehmung in der Innenwand des Zylinderkopfes. Der Strömungs­ verlauf im Brennraum ist daher durch keine einragenden Ge­ genstände behindert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist der im Zy­ linderkopfgelegene Bereich des Brennraums einen Abschnitt mit reduziertem Querschnitt auf, auf den zweckmäßig der von der Einspritzdüse erzeugte Kraftstoffkegel auftrifft. Der Abschnitt mit reduziertem Querschnitt bildet ein Hindernis, das die Ausbildung eines Gemischwirbels in einem ringförmi­ gen Zwischenraum unterstützt, der zwischen dem Kraftstoff­ kegel und der Brennraum-Innenwand gebildet ist. In diesen Zwischenraum ragen die Elektroden der Zündkerze ein, wobei der Gemischwirbel einen hohen Kraftstoffanteil aufweist und daher auch nach Einspritzende an der Zündkerze ein fettes Kraftstoff/Luftgemisch zur Verfügung steht.

Weitere Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Brennraum einer Brennkraft­ maschine,

Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Brennraum einer Brennkraftmaschine in einer anderen Ausführung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist einen Kolben 3 auf, der einen Brennraum 2 im Zylinder 4 der Brennkraftmaschine begrenzt. Durch den Zylinderkopf 5 der Brennkraftmaschine ragt eine Einspritzdüse 7, durch die Kraftstoff in den Brennraum 2 eingespritzt wird. Der einge­ spritzte Kraftstoff wird mit Verbrennungsluft vermengt, die durch ein Einlaßventil zugeführt wird, und bildet ein zünd­ fähiges Kraftstoff/Luftgemisch. Das Kraftstoff/Luftgemisch wird von einer Zündkerze 8 entzündet, zwischen deren Elektroden 9a, 9b ein Zündfunke überspringt.

Die Einspritzdüse 7 ist koaxial zum Kolben 3 angeordnet. Der eingespritzte Kraftstoff breitet sich vom Einspritz­ punkt 16 an der dem Brennraum 2 zugewandten Stirnseite der Einspritzdüse 7 ausgehend zum Kolben 3 hin etwa in Form eines Kraftstoffkegels 10 aus. Um über einen langen Be­ triebszeitraum ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Brennkraft­ maschine zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß die Elektro­ den 9a, 9b der Zündkerze 8 mit Abstand zur Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels 10 angeordnet sind. Die Elektroden der Zündkerze 8, bestehend aus der Mittelelektrode 9a und der Masseelektrode 9b, sind derart angeordnet, daß die Mas­ seelektrode 9b mit einem geringen Abstand zur Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels 10 liegt. Hierbei treten zwei strö­ mungstechnische Effekte auf: Zum einen entsteht zwischen der Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels 10 in dem der Ein­ spritzdüse 7 benachbarten Bereich ein Gemischwirbel 16, der in einem Hohlraum zirkulieren kann, welcher zwischen der Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels 10 und der Innenwand 6 des Zylinderkopfes 5 im Bereich der Einspritzdüse 7 gebil­ det ist. Der Gemischwirbel entsteht durch Kraftstoffteil­ chen, die sich aus dem Kraftstoffkegel lösen und mit Ver­ brennungsluft vermischen. Der Gemischwirbel 16 stellt ein zündfähiges Kraftstoff/Luftgemisch dar, das sich in dem der Einspritzdüse 7 benachbarten Bereich in einem 360°-Winkelbereich um den Einspritzpunkt 17 herum ausbil­ det. In die Innenwand 6 des Zylinderkopfes 5 ist eine Aus­ nehmung 13 eingebracht, in die die Elektroden 9a, 9b der Zündkerze 8 einragen und die ebenfalls von dem Gemischwir­ bel 16 erfüllt ist. Der zwischen den Elektroden 9a, 9b überspringende Zündfunken entzündet den Gemischwirbel 16, woraufhin sich die Verbrennung im gesamten Brennraum 2 aus­ breitet.

Ein weiterer strömungstechnischer Effekt wird dadurch be­ günstigt, daß die Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels mit Abstand zur Innenwand 6 des Zylinderkopfes liegt, wobei zwischen der Mantelfläche und der Innenwand ein durchgehen­ der Luftspalt 12 ausgebildet ist. Der in den Brennraum 2 eingespritzte Kraftstoff drängt Luft aus dem kolbennahen Bereich des Brennraumes 2 radial nach außen in Richtung der Pfeile 18, die im weiteren Verlauf in den Luftspalt 12 zwi­ schen der Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels 10 und der Innenwand 6 des Zylinderkopfes 5 einströmt; die Strömungs­ richtung der Luft im Luftspalt 12 ist dabei der Strömungs­ richtung des eingespritzten Kraftstoffes entgegengerichtet. Im weiteren Verlauf vermischt sich die im Luftspalt 12 zu­ rückströmende Luft mit dem Gemischwirbel 13 und gelangt da­ bei in den Bereich der Zündelektroden 9a, 9b. Der Luftspalt zwischen dem Kraftstoffkegel und der Innenwand hat gemäß Fig. 2 etwa die Breite 1.

Um die Ausbildung des Luftspaltes zu begünstigen, ist vor­ gesehen, daß auch die Innenwand 6 des Zylinderkopfes 5 etwa kegelförmig ausgebildet ist, so daß sowohl der Kraftstoff­ kegel 10 als auch die Innenwand 6 zumindest im Bereich des Luftspaltes 12 etwa kegelförmig verlaufen. Hierbei ist es zweckmäßig, den Kraftstoff in der Weise in den Brennraum 2 einzuspritzen, daß die Mantelfläche 11 des Kraftstoffkegels und die Innenwand 6 etwa parallel zueinander liegen.

Die Längsachsen 14 und 15 der Einspritzdüse 7 bzw. der Zündkerze 8 schließen einen Winkel α von etwa 60° ein. Da­ bei ist die Längsachse 15 der Zündkerze 8 etwa in einem Winkel von 90° zum Kegelmantel 11 gerichtet bzw. weicht nur geringfügig von einem rechten Winkel ab.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung gezeigt. Im Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 1 ist der Kolben 3 geführt, der zusammen mit dem aufgesetzten Zy­ linderkopf 5 den Brennraum 2 begrenzt. Im Zylinderkopf 5 ist die Einspritzdüse 7 eingebaut, deren Längsachse 14 mit axialem Versatz zur Längsachse 21 des Kolbens 3 liegt. Die Einspritzdüse 7 produziert den Kraftstoffkegel 10, der sich nach unten in Richtung des Kolbens 3 kegelförmig erweitert. Das Kraftstoff/Luftgemisch im Brennraum 2 wird von einem Zündfunken entfacht, der zwischen den Elektroden 9 einer schräg einragenden Zündkerze 8 gebildet ist.

Eine Trennebene 20 zwischen dem Zylinderkopf 5 und dem Mo­ torgehäuse mit dem Zylinder 4 unterteilt den Brennraum 2 in zwei Bereiche 2a, 2b. Der Bereich 2a im Zylinderkopf 5 weist einen Abschnitt 19 mit reduziertem Querschnitt auf, auf den der von der Einspritzdüse 7 erzeugte Kraftstoffke­ gel 10 auftrifft. Hierdurch wird die Entstehung eines Ge­ mischwirbels 16 unterstützt, der sich in einem Zwischenraum 22 zwischen dem Kraftstoffkegel 10 und der begrenzenden, der Einspritzdüse 7 benachbarten Innenwand 6 im Brennraum­ bereich 2a ausbildet. In diesen ringförmig umlaufenden Zwi­ schenraum 22 ragen die Elektroden 9 der Zündkerze 8 ein, die noch mit Abstand zum Kraftstoffkegel 10 angeordnet sind. Der Zündfunken entzündet den Gemischwirbel 16, der sich in diesem Zwischenraum 22 ausbildet.

Der Abschnitt 19 des im Zylinderkopf gelegenen Bereichs 2a des Brennraumes ist von einem umlaufenden Wandvorsprung 23 an der Zylinderkopf-Innenwand 6 gebildet. Der in den Brenn­ raum einragende Wandvorsprung 23 reduziert den Querschnitt des Abschnittes 19 und bildet ein Hindernis, das die Aus­ bildung und Rückströmung des Gemischwirbels 16 unterstützt. Der Kraftstoffkegel 10 trifft etwa im Bereich des Wandvor­ sprungs 23 auf die Innenwand 6, wodurch ein Teil des Kraft­ stoffs in den Zwischenraum 22 zurückgeschleudert wird und zur Bildung des Gemischwirbels 16 beiträgt. Der Kraftstoff hält sich dadurch über einen größeren Zeitraum in dem der Zündkerze 8 benachbarten Bereich 2a des Brennraumes, so daß auch nach Einspritzende an der Zündkerze ein zündfähiges, fettes Kraftstoff/Luftgemisch zur Verfügung steht.

Es ist vorgesehen, die Erfindung bei Otto-Brennkraftmaschi­ nen einzusetzen. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, bei Verwendung einer Glühkerze anstelle einer Zündkerze die Vorrichtung bei Diesel-Brennkraftmaschinen einzusetzen.

Claims (12)

1. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum (2), der von einem Kolben (3) im Zylinder (4) der Brennkraftmaschine (1) und der Innenwand (6) eines Zylinderkopfes (5) begrenzt ist, mit einer Ein­ spritzdüse (7), die Kraftstoff etwa kegelförmig in den Brennraum (2) einspritzt, wobei der Kraftstoff mit durch ein Einlaßventil zugeführter Verbrennungsluft ein zündfähiges Kraftstoff/Luftgemisch bildet, welches von einem Zündfunken einer Zündkerze (8) zu zünden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (8) derart angeordnet ist, daß ihre Elektroden (9a, 9b) außerhalb der Mantelfläche (11) des von der Einspritzdüse (7) erzeugten Kraftstoffkegels (10) liegen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (11) des Kraftstoffkegels (10) zumindest im Bereich der Elektroden (9a, 9b) der Zündkerze (8) mit Abstand (1) zur Innenwand (6) des Zylinderkopfes (5) liegt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchgehender Luft­ spalt (12) zwischen dem Kraftstoffkegel (10) und der Innenwand (6) ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die begrenzende Innenwand (6) des Zylinderkopfes (5) etwa kegelförmig ausgebil­ det ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (11) des Kraftstoffkegels (10) und die Zylinderkopf-Innenwand (6) etwa parallel verlaufen.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9a, 9b) der Zündkerze (8) in eine Ausnehmung (13) einragen, die im Brennraum (2) in der Innenwand (6) des Zylin­ derkopfes (5) vorgesehen ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (7) ko­ axial zum Kolben (3) angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (14, 15) der Einspritzdüse (7) und der Zündkerze (8) etwa einen Winkel (α) von 60° einschließen.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der der Einspritzdüse (7) benachbarte Bereich (2a) des Brennraums (2) einen Ab­ schnitt (19) mit reduziertem Querschnitt aufweist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (19) mit re­ duziertem Querschnitt im Zylinderkopf (5) oberhalb einer Trennebene (20) zwischen Motorgehäuse und Zylin­ derkopf (5) liegt.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Einspritzdüse (7) erzeugte Kraftstoffkegel (10) im Bereich des Brennraum-Abschnitts (19) mit reduziertem Querschnitt auf die Zylinderkopf-Innenwand (6) trifft.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar benachbart zur Einspritzdüse (7) im Bereich (2a) des Brennraums (2) ein ringförmig umlaufender Zwischenraum (22) zwischen dem Kraftstoffkegel (10) und der Brennraum-Innenwand (6) gebildet ist, wobei in den Zwischenraum (22) die Elektroden (9) der Zündkerze (8) einragen.