DE19712357A1 - Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei der inneren Gemischbildung spritzt jeweils ein Injektor Kraftstoff in einen Brennraum ein, welcher in jedem Zylin­ der der Brennkraftmaschine von einem Kolben begrenzt ist. Die zur Bildung eines brennbaren Kraftstoff/Luft-Gemisches notwendige Verbrennungsluft wird dem Brennraum durch je­ weils mindestens einen Einlaßkanal zugeführt. Der Zugang des Einlaßkanals wird von einem Einlaßventil zum Einströmen des Verbrennungsluftstromes in den Brennraum freigegeben.

Aus der US 2 882 873 ist bekannt, den Verbrennungsluftstrom etwa tangential zu einer Zylinderwand in den Brennraum ein­ zuleiten, so daß sich eine Drallströmung um eine Zylinder­ achse ausbildet. Dabei entstehen durch Reibung an der Zy­ linderwand im wesentlichen einwärts gerichtete Sekundär­ strömungen. Auf eine durch die Reibung abgebremste Grenz­ schicht benachbart der Zylinderwand wirkt dabei der positi­ ve Druckgradient infolge von Zentrifugalkräften bei der Drehbewegung um die Zylinderachse und der dabei an der Grenzschicht anliegende Druckunterschied erzwingt die Aus­ bildung der Sekundärströmungen. Der zur Gemischbildung mit der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzte Kraft­ stoff wird von den Sekundärströmungen entlang der Zylinder­ achse ins Zentrum des Brennraums befördert, so daß hier ein fettes Kraftstoff/Luft-Gemisch angereichert wird. Die in­ homogene Gemischverteilung im Brennraum bewirkt eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine durch Erhöhung des Kompressionsverhältnisses. Darüber hinaus erlaubt die Gemischbildung mit örtlich fetten Kraftstoff/Luft-Gemischen insbesondere im Teillastbereich einen Betrieb der Brenn­ kraftmaschine mit geringem Kraftstoffverbrauch und Abgas­ emissionen. Dies gilt insbesondere für den Betrieb von direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen, da durch die Bildung einer zentralen Gemischwolke im Brennraum bei Teillastbetrieb den meist zentrumsnah in den Brennraum ein­ ragenden Elektroden einer Zündkerze leicht entflammbares, fettes Gemisch bereitgestellt wird und somit die gute Zünd­ fähigkeit der Brennraumladung sichergestellt ist.

Die Stärke der Sekundärströmungen, welche mit ihrer Transportfunktion von zentrifugiertem Kraftstoff ins Innere des Brennraumes zur Gemischbildung unbedingt erforderlich sind, hängt direkt von der Umfangsgeschwindigkeit der Drallströmung um die Zylinderachse an der Zylinderwand ab. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Drallströmung nimmt durch Erhöhung der Reibungskräfte an der Zylinderwand die Abbremsung der Grenzschicht proportional zu. Die Zentri­ petalkraft zur Auslösung der Sekundärströmungen, welche der Differenz zwischen der Zentrifugalkraft der Drallströmung und dem radialen Druckgradienten entspricht, steigt somit proportional mit der Umfangsgeschwindigkeit der Drall­ strömung. Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird die Drallströmung um die Zylinderachse dadurch erzeugt, daß dem Verbrennungsluftstrom durch Zwangsführung in dem Endab­ schnitt des Einlaßkanals zum Brennraum der Impuls zum Ein­ strömen tangential zur Zylinderwand erteilt wird. Die Zwangsführung wird durch eine entsprechende Formgebung des Einlaßkanals, des überströmten Teils des Einlaßventils, welches als Schirmventil ausgestaltet ist, sowie durch eine Leiteinrichtung im Einlaßkanal benachbart des Einlaßventils erreicht. Wegen der geometrisch festgelegten Zwangsführung des Verbrennungsluftstroms hängt die Geschwindigkeit der Drallströmung im Brennraum ausschließlich vom Durchsatz der Verbrennungsluft im Einlaßkanal ab. Die zur Gemischbildung notwendige Verbrennungsluftmenge ist jedoch festgelegt, so daß in großen Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine die notwendige Stärke der Drallströmung und der Sekundärströ­ mungen zur Bildung eines qualitativ optimalen Kraft­ stoff/Luft-Gemisches für den jeweils vorliegenden Betriebs­ punkt nicht erreicht werden kann. Erhöhter Kraftstoffver­ brauch und Abgasemission sind die Folge.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ge­ mischbildung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftma­ schine zu schaffen, mit dem in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die Bildung eines Kraftstoff/Luft-Gemi­ sches mit jeweils optimaler Qualität insbesondere im Hin­ blick auf eine Verbrennung mit geringem Kraftstoffverbrauch und Abgasemission ermöglicht ist.

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

Wird im Eintrittsbereich des Einlaßkanals zum Brennraum dem Verbrennungsluftstrom auf seiner in Richtung der Drall­ strömung abgewandten Seite ein Zusatzfluidstrom zugeführt, so wird die Ausbildung einer Drallströmung im Brennraum um die Zylinderachse aktiv unterstützt. Der dem Verbrennungs­ luftstrom erteilte Drehimpuls ist dabei von dem Massen­ durchsatz des Zusatzfluidstroms abhängig und damit regel­ bar. Durch die optimale Zufuhrstelle des Zusatzfluidstroms in den Einlaßkanal ist ein geringer Massenstrom des Zu­ satzfluids ausreichend, um den in den Brennraum eintreten­ den Verbrennungsluftstrom derart zu beeinflussen, daß eine Drallströmung mit optimaler Strömungsgeschwindigkeit ent­ steht. In jedem beliebigen Betriebspunkt der Brennkraftma­ schine ist somit jeweils die Stärke der Drallströmung ein­ stellbar, welche mit den entstehenden Sekundärströmungen zur jeweils optimalen Gemischbildung führt. Die hohe Drall­ geschwindigkeit bewirkt insbesondere im kolbennahen Bereich und im Dachbereich des Brennraums die Erzeugung von star­ ken, zentripetalen Sekundärströmungen, welche durch die Reibung an axial den Brennraum begrenzenden Flächen, das heißt am Kolbenboden bzw. am Brennraumdach entstehen. Aus Kontinuitätsgründen verursachen diese Sekundärströmungen eine aufwärts bzw. abwärts gerichtete Kaminströmung im Brennraum. Somit wird der zur Gemischbildung eingespritzte Kraftstoff aus der Umgebung der Zylinderwand und dem Kol­ benboden ins Zentrum des Brennraums befördert und ein Ge­ misch mit besten Brenneigenschaften gebildet.

Der Verbrennungsluftstrom ist besonders kontrolliert im Hinblick auf die Ausbildung einer Drallströmung beeinfluß­ bar, wenn ihm ein Zusatzfluidstrom benachbart des Einlaß­ ventils und ein weiterer Zusatzfluidstrom im axialen Ab­ stand zum Einlaßventil zugeführt wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Ausbildung der Drallströmung beim Einströmen des Verbrennungsluft­ stroms in den Brennraum zusätzlich dadurch gefördert, daß dem Verbrennungsluftstrom im Eintrittsbereich des Einlaßka­ nals zum Brennraum auf seiner in Richtung der Drallströmung liegenden Seite ein Abfuhrstrom entnommen wird. Die Absau­ gung des Abfuhrstroms kann dabei benachbart des Einlaßven­ tils gegenüber dem Zufuhrort des Zusatzfluidstromes liegen.

Vorteilhaft bestimmt eine Reglereinheit in jedem Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine den jeweiligen Massendurchsatz der Zusatzfluidströme bzw. der Abfuhrströme und veranlaßt somit die jeweils zur Gemischbildung optimale Drallströmung im Brennraum. Der Reglereinheit können dabei als Regelgröße fortlaufend Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zuge­ führt werden, z. B. im Abgastrakt gemessene Emissionswerte. Als Zusatzfluid können abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und der somit jeweils geforderten Ge­ mischzusammensetzung Abgas, Luft oder andere Fluide dem Verbrennungsluftstrom zugeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt eines Zylinders die Kraftstoff- und Verbrennungs­ luftführung bei der Gemischbildung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Zylin­ der-Querschnitt,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 die Kraftstoffeinbringung in den Brennraum mit verschiedenen Einspritzzeitpunkten zu­ gehörigen Stellungen des Kolbens,

Fig. 5a bis 5e aufeinanderfolgende Phasen bei der Kraft­ stoffverteilung im Brennraum.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder 2 einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine 1. In dem Zy­ linder 2 ist ein Kolben 3 längsbeweglich an einer Zylin­ derwand 10 geführt und begrenzt einen Brennraum 4. In dem Brennraum 4 wird in jedem Arbeitsspiel der Brennkraftma­ schine 1 ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet und zum Antrieb des Kolbens 3 verbrannt. Die zur Gemisch­ bildung im Brennraum 4 notwendige Verbrennungsluft wird über Einlaßkanäle 21, welche jeweils von einem Einlaßventil 5 im Ansaugtakt des Kolbens 3 freigegeben werden, dem Brennraum 4 zugeführt. Den Kraftstoff spritzt ein zentrisch im Brennraumdach 32 angeordneter Injektor 6 in einem auf den Kolben 3 gerichteten Kraftstoffstrahl 7 koaxial zu einer Zylinderachse 11 in den Brennraum 4 ein. Der Kraft­ stoffstrahl 7 trifft auf ein Prallelement 24 im Kolbenboden 23 und prallt, gelenkt durch einen zentrischen Strahlteiler 25 und eine den Strahlteiler 25 umgebende, ringförmige Um­ lenkmulde 26 kontrolliert gelenkt in den Brennraum 4 zu­ rück. Dabei wird der zurückprallende Kraftstoff in der im Brennraum 4 verteilten Verbrennungsluft zerstäubt.

Die Verbrennungsluft wird etwa tangential zu der Zylinder­ wand 10 in den Brennraum 4 eingeleitet, so daß sich eine Drallströmung 9 um die Zylinderachse 11 ausbildet. Im Brennraumdach 32 sind zwei Einlaßkanäle 21 in Umfangs­ richtung des Zylinders 2 hintereinander angeordnet, welche gemeinsam die gesamte zur Gemischbildung notwendige Ver­ brennungsluft in Verbrennungsluftströmen 8 gleichgerichtet in Drehrichtung der Drallströmung 9 in den Brennraum 4 ein­ lassen. Durch die Drehbewegung der Drallströmung 9 liegt durch die auftretenden Zentrifugalkräfte in der Brennraum­ ladung ein zur Zylinderwand 10 positiver Druckgradient vor. Reibungskräfte an der Zylinderwand 10 und insbesondere am drehfesten Kolbenboden 23 bewirken die Ausbildung einer ab­ gebremsten Grenzschicht. Infolge eines Kräfteausgleichs zwischen dem positiven Druckgradienten und der Zentrifugal­ kräfte in der Grenzschicht werden einwärts gerichtete Se­ kundärströmungen 30 verursacht, welche im Bereich des Kol­ benbodens 23 besonders stark ausgeprägt sind. Die Strö­ mungsrichtung der Sekundärströmungen 30 in die Brennraum­ mitte wird durch spiralförmig und daher strömungsgünstig zur Zylinderachse 11 verlaufende, radiale Leiteinrichtungen 29 auf dem Kolbenboden 23 unterstützt. Die im kolbennahen Bereich des Brennraums 4 stark ausgeprägten Sekundär­ strömungen 30 bewirken aus Kontinuitätsgründen eine auf­ wärts zum Brennraumdach 32 gerichtete Kaminströmung. Der eingespritzte Kraftstoff wird daher bei der Gemischbildung in der Verbrennungsluft zerstäubt und durch die Sekundär­ strömungen 30 im Zentrum des Brennraums 4 angereichert. Se­ kundärströmungen infolge Reibung am Brennraumdach 32 erzeu­ gen eine abwärts zum Kolbenboden 23 gerichtete Kaminströ­ mung, die das fette Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zentrum des Brennraums 4 hält. Mit einer starken Drallströmung 9 und dementsprechend stark ausgeprägten Sekundärströmungen 30 ist in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 zumin­ dest örtlich brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch bildbar. Die aufwärts zum Brennraumdach 32 gerichtete Kaminströmung unterstützt dabei die Gemischbewegung durch den Kompressionshub des Kolbens 3 und behindert Kraftstoff­ niederschlag am Kolbenboden. Insbesondere bei direktein­ spritzenden Otto-Brennkraftmaschinen ist somit im Teil­ lastbetrieb ein zündbares Gemisch an einer oder mehreren Zündkerzen bereitstellbar, welche üblicherweise im Brenn­ raumdach 32 angeordnet sind.

Für eine kraftstoffverbrauchs- und abgasemissionsoptimierte Verbrennung in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist eine Gemischbildung mit einer Drallströmung 9 be­ stimmter Geschwindigkeit notwendig. Die Drallströmung 9 um die Zylinderachse 11 wird dadurch erzeugt, daß dem jeweils aus einem Einlaßkanal 21 austretenden Verbrennungsluftstrom 8 ein Drehimpuls in der gewünschten Richtung erteilt wird.

Über den Grunddrehimpuls hinaus, welcher dem Verbrennungs­ luftstrom 8 mit Brennraumzutritt tangential zur Zylinder­ wand 10 (siehe Fig. 2) geometrisch durch die Zwangsführung im gekrümmten Endabschnitt des Einlaßkanals 21 und beim umlenkenden Überströmen des Ventiltellers des Einlaßventils 5 (Fig. 3) erteilt wird, wird die Ausbildung der Drallströmung 9 um die Zylinderachse 11 durch aerodyna­ mische Beeinflussung des Verbrennungsluftstroms 8 im Ein­ laßkanal 21 unterstützt. Dabei werden im Eintrittsbereich des Einlaßkanals 21 zum Brennraum 4 dem Verbrennungsluft­ strom 8 auf seiner in Richtung der Drallströmung 9 abge­ wandten Seite Zusatzfluidströme 12, 12' zugeführt. Ein Zu­ satzfluidstrom 12 wird unmittelbar im Eintrittsbereich des Einlaßkanals 21 benachbart des Einlaßventils 5 und ein weiterer Zusatzfluidstrom 12' in axialem Abstand zum Ein­ laßventil 5 in den Einlaßkanal 21 eingelassen und dem Ver­ brennungsluftstrom 8 zugeführt. Die Zusatzfluidströme 12, 12' lenken dabei den Verbrennungsluftstrom 8 mit einem im Verhältnis zum Verbrennungsluftstrom 8 geringen Massen­ durchsatz mit hoher Wirksamkeit in die gewünschte Tangentialrichtung der Zylinderwand 10 beim Einströmen in den Brennraum 4 um. Die Strömungsrichtung des Verbren­ nungsluftstroms 8 wird darüber hinaus im Hinblick auf die Ausbildung der Drallströmung 9 im Brennraum 4 durch die Entnahme eines Abfuhrstroms im Eintrittsbereich des Einlaß­ kanals 21 zum Brennraum 4 beeinflußt. Der Abfuhrstrom wird dabei dem Verbrennungsluftstrom 8 auf seiner in Richtung der Drallströmung 9 liegenden Seite abgesaugt. Die Absaug­ stelle liegt dabei im Eintrittsbereich des Einlaßkanals 21 etwa gegenüberliegend der Zufuhrstelle des Zusatzfluid­ stroms 12.

Der jeweilige Massendurchsatz der Zusatzfluidströme 12, 12' sowie des Abfuhrstroms werden von einer Reglereinheit 20 in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 be­ stimmt. Durch präzise Dosierung der Zusatzfluidströme und des Abfuhrstroms ist jeweils für den vorliegenden Be­ triebspunkt der Brennkraftmaschine 1 genau die Umfangsge­ schwindigkeit der Drallströmung 9 um die Zylinderachse 11 einstellbar, welche mit den sich daraus ergebenden Sekun­ därströmungen 30 zu einer optimalen Gemischbildung im Brennraum 4 führt. Die vollständige Verbrennung wird dabei überwacht, zum Beispiel durch Messung der Abgasqualität in einem Abgastrakt 22 der Brennkraftmaschine 1 und gegebenen­ falls mit weiteren Betriebsparametern 31 der Reglereinheit 20 zugeführt. Unter Zugrundelegung dieser Betriebsparameter 31 regelt die Reglereinheit 20 die jeweiligen Massendurch­ sätze der Zusatzfluidströme 12, 12' und des Abfuhrstroms und somit die Drehgeschwindigkeit der Drallströmung 9 zur Gemischbildung. Zu diesem Zweck führt die Reglereinheit 20 dabei jeweils in den Zufuhrleitungen 14, 14' der beiden Zu­ satzfluidströme sowie in der Saugleitung 17 des Ab­ fuhrstroms angeordneten Drosselklappen 18 entsprechende Stellsignale 19 zu.

Als Zusatzfluid werden abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 zurückgeführtes Abgas, Luft oder an­ dere Fluide dem Verbrennungsluftstrom 8 zugeführt. Durch die Einblasung getrennter Zusatzfluidströme 12, 12' an axial im Einlaßkanal 21 beabstandeten Stellen ist auch die Einbringung verschiedener Fluide durch jeweils eine der beiden Fluidleitungen 14, 14' möglich.

Die aktive Beeinflussung der Drallströmung 9 durch die be­ schriebenen aerodynamischen Maßnahmen im Eintrittsbereich des Einlaßkanals 21 zum Brennraum 4 ermöglichen eine kon­ trollierte Gemischbildung mit unterschiedlichen Strömungs­ effekten insbesondere der Sekundärströmungen 30 im Brenn­ raum 4. Die durch die Umfangsgeschwindigkeit der Drall­ strömung 9 ausgelösten Strömungseffekte im Brennraum 4 sind dabei oberhalb und unterhalb eines kritischen Wertes (Taylorzahl = 41,3) unterschiedlich. Bei Taylorzahlen < 41,3 ergeben sich im Brennraum 4 die bereits beschriebenen Sekundärströmungen 30, welche den gesamten Brennraum 4 er­ fassen und insbesondere im Bereich des Kolbenbodens 23 be­ sonders stark ausgeprägt sind. Bei Taylorzahlen < 41,3 bil­ den sich zusätzlich benachbart der Zylinderwand 10 in einem mittigen Bereich etwa zwischen Kolbenboden 23 und Brenn­ raumdach 32 torusförmige Wirbelzöpfe, die sogenannten Gört­ ler-Wirbel. Die Wirbelzöpfe erstrecken sich axial in Um­ fangsrichtung der Zylinderwand und drehen dabei paarweise gegensinnig. Ihr Durchmesser vergrößert sich dabei mit Zu­ nahme der Grenzschichtdicke benachbart der Zylinderwand 10 infolge Reibungskräften. Die Wirbelzöpfe zerfallen während des Kompressionshubes des Kolbens 3 erst spät in klein­ zellige Strukturen, so daß die entstehende Turbulenz bei der Gemischbildung den Flammfortschritt zur Erzielung einer optimalen Verbrennung fördert. Die Wirbelzöpfe halten be­ grenzte Fluidmengen, zum Beispiel zugesetztes Abgas, im Be­ reich der Zylinderwand 10. Dadurch wird insbesondere ein zwischen dem Kolbenbund und der Zylinderwand 10 gebildeter Kolbenspalt 3.4 zum Brennraum 4 verschlossen und verhindert, daß Kraftstoff in den Kolbenspalt 34 eindringt, nicht am Verbrennungsvorgang teilnimmt und letztlich eine schädliche Kohlenwasserstoff-Emission der Brennkraftmaschine 1 verur­ sacht. Die weiteren torusförmigen Abgaswirbel in axialer Richtung entlang der Zylinderwand 10 halten die Brennraum­ ladung von der Zylinderwand und dem darauf aufgetragenen Ölfilm fern, so daß eine Verdünnung des Schmieröls unter­ bunden ist. Mit der Möglichkeit der variablen Ausbildung einer Drallströmung 9 und der damit erzeugbaren Toruswir­ bel-Effekte entsprechend der Brennraumkonfiguration kann in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 die Gemischbildung und die entstehende Abgasemission verbessert werden. Insbesondere bei Lastwechseln kann somit durch kontrollierte aerodynamische Beeinflussung des Ver­ brennungsluftstroms 8 genau die Umfangsgeschwindigkeit der Drallströmung 9 hergestellt werden, welche zu einer optima­ len Gemischbildung und vollständigen Verbrennung führt.

Die Zuführung der Zusatzfluidströme sowie die Absaugung des Abfuhrstroms erfolgt effizient jeweils in mehreren Teil­ strömen. Die Teilströme werden dabei jeweils durch mehrere Zufuhröffnungen 13, 13' bzw. mehrere Abfuhröffnungen 16 ge­ leitet, welche jeweils ringförmig am Umfang des Einlaßka­ nals 21 angeordnet sind. Die Zufuhröffnungen 13, 13' und Abfuhröffnungen 16 sind jeweils in eine Ringbuchse 15, 15' eingebracht, welche in der Kanalwand des Einlaßkanals 21 einerseits benachbart des Einlaßventils 5 und andererseits in axialem Abstand zum Einlaßventil 5 angeordnet sind. Die Zufuhröffnungen 13, 13' der Ringbuchsen 15, 15' sind dabei jeweils mit der den Zufuhröffnungen zugeordneten Fluid­ leitungen 14, 14' verbunden. Die benachbart des Einlaß­ ventils 5 angeordnete Ringbuchse 15, welche Abfuhröffnungen 16 aufweist, ist darüber hinaus mit der Saugleitung 17 fluidisch verbunden.

Die Anordnung der Zufuhröffnungen im jeweiligen Einlaßkanal 21a, 21b ergibt sich aus Fig. 2. In den im Querschnitt dar­ gestellten Brennraum 4 des Zylinders 2 wird durch zwei Ein­ laßkanäle 21a, 21b jeweils ein Verbrennungsluftstrom 8a, 8b etwa tangential zur Zylinderwand 10 eingeleitet. Die Aus­ richtung der Einlaßkanäle 21a, 21b bis zu ihrer jeweiligen Einmündung in den Brennraum 4 ist dabei gleichgerichtet in Umfangsrichtung der Zylinderwand 10, so daß die in den Brennraum 4 eintretenden Verbrennungsluftströme 8a, 8b eine Drallströmung um die Zylinderachse 11 erzeugen. Die Strö­ mungsrichtung der Verbrennungsluftströme 8a, 8b wird wie bereits beschrieben zur Verstärkung der Drallströmung durch Zuführung von Zusatzfluidströmen 12a, 12b im Eintrittsbe­ reich des jeweiligen Einlaßkanals 21a, 21b aerodynamisch beeinflußt. Die Zusatzfluidströme 12a, 12b werden dabei jeweils in mehreren Teilströmen den Verbrennungsluftströmen 8a, 8b zugeführt. Dabei wird eine wirkungsvolle Umlenkung der Verbrennungsluftströme 8a, 8b dadurch erreicht, daß der resultierende Vektor der Strömungsrichtung der jeweiligen Teilströme in Richtung der zu bewirkenden Drallströmung liegt.

Fig. 3 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 die Wirksamkeit der Zuführung von Zusatzfluidströmen 12a, 12b in die Einlaßkanäle 21a, 21b zur kontrollierten Beeinflussung der Ausbildung einer Drallströmung 9 im Brennraum 4. Die Verbrennungsluftströme 8a, 8b überströmen beim Eintreten in den Brennraum 4 die Ventilteller der ge­ öffneten Einlaßventile 5a, 5b, wobei sie zur Ausbildung einer Drallströmung in Umfangsrichtung des Zylinders ge­ lenkt werden. Die Drallerzeugung wird unterstützt durch die Zuführung von Zusatzfluidströmen 12a, 12b, welche zumindest benachbart der Einlaßventile 5a, 5b in die Einlaßkanäle 21a, 21b eingeleitet werden. Zur Unterstützung der Drall­ strömung 9 werden die Zusatzfluidströme 12a, 12b jeweils auf der in Richtung der Drallströmung 9 abgewandten Seite des Verbrennungsluftstroms 8a bzw. 8b zugeführt.

Fig. 4 zeigt schematisch die Kraftstoffeinbringung und -verteilung bei der Gemischbildung im Brennraum 4. Der Kraftstoff wird dabei von einem zentrisch angeordneten In­ jektor 6 in einem koaxial zu einer Zylinderachse 11 verlau­ fenden Kraftstoffstrahl 7 in den Brennraum 4 eingespritzt. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt während des Kompressionshubes des im Zylinder 2 beweglich geführten Kolbens 3. Durch die Kompressionshubeinspritzung dringt der Kraftstoffstrahl 7 ins Zentrum der bereits in einer Drall­ strömung um die Zylinderachse 11 umlaufenden Verbrennungs­ luft ein. Abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit der Drallströmung und der daraus entstehenden zentripetalen Se­ kundärströmungen (Fig. 1) ergibt sich dabei eine Gemisch­ bildung im Brennraum 4 mit fettem Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zentrum des Brennraums 4.

Den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine sind unter­ schiedliche Einspritz-Zeitpunkte zugeordnet. Im Teillast­ betrieb erfolgt die Kraftstoffeinspritzung zu einem späten Zeitpunkt während des Kompressionshubes (Kolbenstellung I) nahe dem oberen Totpunkt, und mit zunehmender Betriebslast liegt der Einspritzzeitpunkt zunehmend früher, wobei der Kolben 3 zunehmend weiter vom Injektor 6 entfernt ist (Kolbenstellung II). Es ist klar, daß mit zunehmender Be­ triebslast der Brennkraftmaschine auch eine zunehmend größere Kraftstoffmenge eingespritzt wird.

In jedem Fall trifft der eingespritzte Kraftstoffstrahl 7 auf den sich aufwärts bewegenden Kolben 3 auf und prallt unter zerstäubender Wirkung in den Brennraum 4 zurück. Um in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine geeig­ nete Kraftstoffverteilung im Brennraum 4 zu erreichen, ist die Auftrefffläche für den Kraftstoff im Kolbenboden 23 derartig konturiert, daß der auftreffende Kraftstoffstrahl 7 gelenkt in den Brennraum 4 zurückprallt. Die Auftreff­ fläche im Kolbenboden 23 besteht aus einem zentrischen Strahlteiler 25, welcher auf der Zylinderachse 11 liegt. Der Strahlteiler 25 ist von einer ringförmigen Umlenkmulde 26 umgeben, die zwischen dem Strahlteiler 25 und dem außen­ liegenden Teil des Kolbenbodens 23 eine Kontur im Kolben­ längsschnitt nach Art einer Peltonschaufel ausbildet. Ab­ hängig vom Einspritzzeitpunkt bzw. vom Zeitpunkt des Auf­ treffens des Kraftstoffstrahls 7 auf den Kolben 3 wird der Kraftstoff durch die Kontur des Kolbenbodens 23 reflek­ tiert. Befindet sich der Kolben 3 zum Einspritzzeitpunkt in der Kolbenstellung I nahe dem Injektor 6, so trifft der Kraftstoffstrahl 7 auf der dem Strahlteiler 25 benachbarten Seite der Umlenkmulde 26 auf und prallt daher aufgefächert in den Brennraum 4 zurück. Dabei wird ein großer Teil des Brennraums 4 mit zerstäubtem Kraftstoff versorgt und mit der im Brennraum 4 bewegten Verbrennungsluft ein geeignetes Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet.

Wird der Kraftstoffstrahl 7 zu einem frühen Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt (Kolbenstellung II), so trifft der sich auf den Kolben 3 zu bewegende und sich dabei auf­ weitende Kraftstoffstrahl 7 auf der außenliegenden Seite der Umlenkmulde 26 auf und wird einwärts, d. h. in Richtung auf die Zylinderachse 11 reflektiert. Mit dem bezüglich des Brennraums 4 einwärts reflektierten Kraftstoff wird bei der Gemischbildung mit zentral fetterem Kraftstoff/Luft-Gemisch die Wirkung der Drallströmung um die Zylinderachse 11 mit den daraus resultierenden Sekundärströmungen unterstützt. Die Umlenkmulde 26 verhindert überdies durch-die re­ flektierende Wirkung eine schädliche Ansammlung flüssigen Kraftstoffes am Kolbenboden 23.

Die Auftrefffläche für den Kraftstoffstrahl im Kolbenboden wird durch ein Prallelement 24 gebildet, welches in den Kolben 3 eingesetzt ist. Das Prallelement 24 weist die zur beschriebenen Kraftstofflenkung und Zerstäubung notwendige Konfiguration mit einem zentrischen Strahlteiler 25 und einer ringförmigen, peltonschaufelartigen Umlenkmulde 26 auf.

Bei der Einspritzung wird dem Kraftstoffstrahl 7 ein Dreh­ impuls erteilt, der entgegen der Drallströmung 9 der Ver­ brennungsluft im Brennraum 4 gerichtet ist. Der entgegenge­ setzte Drall des Kraftstoffstrahls 7 führt zu einer für die Gemischbildung vorteilhaften zylindrischen Scherfläche zwi­ schen der Verbrennungsluft und dem Kraftstoff.

Bei der Überströmung des Strahlteilers 25 und der Umlenk­ mulde 26 kommt es an der benetzten Fläche zu einem Wärme­ austausch zwischen dem Kolben 3 und dem Kraftstoff. Dabei wird vorteilhaft der heiße Kolbenboden 23 gekühlt und die Entflammbarkeit des Kraftstoffes durch Vorwärmen erhöht.

Fig. 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Variante der Kraftstoffeinbringung in den Brennraum 4 zur Gemischbildung mit der wie oben beschrieben in einer Drallströmung um die Zylinderachse sich bewegenden Verbrennungsluft. Der Kraft­ stoff wird dabei von einem nicht dargestellten Injektor im Brennraumdach 32 auf den Kolbenboden 23 gerichtet zentrisch in den Brennraum 4 eingespritzt. Die Auftrefffläche im Kol­ benboden 23 für den Kraftstoffstrahl 7 bildet ein in den Kolbenboden 23 eingelassenes Prallelement 24. Das Prallele­ ment 24 weist einen zentrischen Strahlteiler 25 und eine den Strahlteiler 25 ringförmige umgebende Umlenkmulde 26 auf. Die Umlenkmulde 26 weist nach Art einer Peltonschaufel eine derartige Kontur auf, daß der auftreffende Kraftstoff­ strahl 7 von dem Strahlteiler 25 geteilt wird und über einen Bogenwinkel von etwa 180° an der Wand der Umlenkmulde 26 entlang strömt, das heißt letztlich auf den Injektor ge­ richtet in den Brennraum 4 zurückprallt. Die Kraftstoff­ einspritzung erfolgt in zwei Teilmengen, welche aufein­ anderfolgend während des Kompressionshubes des Kolbens in den Brennraum 4 eingespritzt werden.

Fig. 5a zeigt die erste Phase der Kraftstoffeinbringung in den Brennraum 4, wobei der Kraftstoffstrahl 7 einer Vorein­ spritzmenge 27 auf das Prallelement 24 im Kolbenboden 23 gerichtet eingespritzt wird. Die Voreinspritzmenge 27 wird wie Fig. 5b zeigt nach dem Auftreffen auf das Prallelement von der Umlenkmulde 26 auf den Injektor 6 gerichtet umge­ lenkt. Während die Voreinspritzmenge 27 am Kolbenboden um­ gelenkt wird und sich bereits aufwärts zum Brennraumdach bewegt, spritzt der Injektor eine Haupteinspritzmenge 28 wiederum auf den Kolben gerichtet zentrisch in den Brenn­ raum 4 ein. Die Voreinspritzmenge 27 und die Hauptein­ spritzmenge 28 strömen also koaxial aufeinander zu (Fig. 5d) und treffen sich schließlich im Zentrum des Brennraums 4. Bei der Kollision beider Kraftstoffstrahlen wird eine freie Prallfläche im Brennraum 4 fern dem Kolbenboden 23 ausgebildet und es ergibt sich eine Zerstäubung der gesam­ ten Kraftstoffmenge mit etwa radial zur Zylinderachse lie­ genden Abströmrichtungen (Fig. 5e). Durch die Aufteilung der gesamten einzuspritzenden Kraftstoffmenge in eine Vor­ einspritzmenge 27 und eine Haupteinspritzmenge 28 wird der Kraftstoff während der Gemischbildung lange im Zentrum des Brennraums 4 gehalten, so daß mit den Strömungsbewegungen der Verbrennungsluft betriebspunktoptimierte Gemische ge­ bildet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Gemischbildung bei einer direktein­ spritzenden Brennkraftmaschine (1), wobei durch jeweils mindestens einen Einlaßkanal (21a, 21b) pro Zylinder (2), dessen Zugang zu einem im Zylinder (2) von einem Kolben (3) begrenzten Brennraum (4) ein Einlaßventil (5a, 5b) freigibt, ein Verbrennungsluftstrom (8a, 8b) etwa tangential zu einer Zylinderwand (10) unter Aus­ bildung einer Drallströmung (9) um eine Zylinderachse (11) in den Brennraum (4) strömt und wobei ein Injektor (6) Kraftstoff in den Brennraum (4) einspritzt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zusatzfluid­ strom (12, 12', 12a, 12b) im Eintrittsbereich des Ein­ laßkanals (21a, 21b) zum Brennraum (4) dem Verbren­ nungsluftstrom (8a, 8b) auf seiner in Richtung der Drallströmung (9) abgewandten Seite zugeführt wird und dem Verbrennungsluftstrom (8a, 8b) einen Drehimpuls erteilt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzfluidstrom (12, 12a, 12b) benachbart des Einlaßventils (5a, 5b) und ein weiterer Zusatzfluidstrom (12') in axialem Abstand zum Einlaßventil (5a, 5b) dem Verbrennungsluftstrom (8a, 8b) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbrennungsluftstrom (8a, 8b) im Eintrittsbereich des Einlaßkanals (21a, 21b) zum Brennraum (4) auf seiner in Richtung der Drallströmung (9) liegenden Seite ein Abfuhrstrom ent­ nommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Zusatzfluid­ ströme (12, 12', 12a, 12b) und die Entnahme des Ab­ fuhrstroms jeweils in Teilströmen durch mehrere ring­ förmig am Umfang des Einlaßkanals (21a, 21b) angeord­ nete Zufuhröffnungen (13, 13') bzw. Abfuhröffnungen (16) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Vektor der Strömungsrichtungen der jeweiligen Teilströme an einer Fluidzufuhr- bzw. Fluidabfuhrstelle im Einlaßka­ nal (21a, 21b) in einer Querschnittsebene des Zylinders (2) in Richtung der Drallströmung (9) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reglereinheit (20) den jeweiligen Massendurchsatz der Zusatzfluidströme (12, 12', 12a, 12b) und des Abfuhrstroms in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) bestimmt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzfluid abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) rückge­ führtes Abgas aus dem Auslaßtrakt (22) der Brennkraft­ maschine (1), Luft oder andere Fluide dem Verbrennungs­ luftstrom (8a, 8b) zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (6) einen auf den Kolben (3) gerichteten Kraftstoffstrahl (7) zentrisch in den Brennraum (4) einspritzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl (7) mit einem entgegen der Drallströmung (9) der Verbren­ nungsluft drehenden Drall eingespritzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl (7) auf einen Kolbenboden (23) trifft und von einem Prall­ element (24) im Kolbenboden (23) mit einem zentrischen Strahlteiler (25) und einer den Strahlteiler (25) umge­ benden, ringförmigen Umlenkmulde (26) in den Brennraum (4) zurückprallt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubes des Kolbens (3) erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Arbeitsspiel einzu­ setzende Kraftstoffmenge getrennt in eine Voreinspritz­ menge (27) und eine zeitlich beabstandet folgende Haupteinspritzmenge (28) eingespritzt wird, wobei der Kraftstoffstrahl (7) der Voreinspritzmenge (27) auf den Strahlteiler (25) trifft, geteilt wird und durch die Umlenkmulde (26) auf den Injektor (6) gerichtet in den Brennraum (4) zurückgelenkt wird und mit dem Kraft­ stoffstrahl (7) der Haupteinspritzmenge (28) zusammen­ trifft.