DE19723182A1 - Verfahren zur Zündung und Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung und Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fremdzündung, bei dem zumindest ein Teil des Kraftstoffs auf die Oberfläche einer Kolbenmulde und deren Umgebung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in die Kolbenmulde und deren Umgebung durch Direkteinspritzung gelangt und nach Eintauchen einer Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde gezündet wird, wobei als Folge der Expansion der durch die Verbrennung entstehenden heißen Gase sowie einer Quetschströmung zwischen Kolben und Zylinderkopf und/oder Funkenzünd­ einrichtung eine im wesentlichen kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase erzeugt wird so­ wie weiterhin verschiedene, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen.

Bei Motoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung besteht das Problem, daß vor allem bei später Kraftstoffeinspritzung während des Verdichungstaktes des Motors ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs sich auf dem Kolbenboden niederschlägt und es durch eine verzögerte Verdampfung dieses Kraftstoffs zu einer unvollständigen Verbrennung kommt, d. h. zu einem erhöhten Kraft­ stoffverbrauch sowie zu großen Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Um dieses zu vermeiden wird bei bisherigen Lösungen eine gezielte Drallströmung erzeugt, die entweder in Form einer sogenannten Tumble-Strömung, d. h. quer zur Hauptachse des Zylinders (SAE-Paper 970 541, Detroit, 24. -27. 02. 1997) oder als eine sich um die Hauptachse des Zylin­ ders drehende Wirbelströmung (SAE-Paper 970 540, Detroit, 24. -27. 02. 1997) ausgebildet ist. In beiden Fällen ist es das Ziel, den jeweils auf die Kolbenmulde gespritzten Kraftstoff durch die Strömung abzutragen und in diese einzumischen. Die dazu notwendige Ladungsbewegung kann durch Maßnahmen im Saugrohr und/oder an den Einlaßventilen des Motors erzeugt werden. Dabei sind die im Bereich der Kolbenmulde erreich­ baren Strömungsgeschwindigkeiten und insbesondere Geschwindigkeitsgradienten aber gering, so daß für den Abbau des Kraftstoffilms eine unbefriedigend große Zeit benötigt wird. Zudem weist das über die Kolbenmulde geführte unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch im Vergleich zu den bei der Verbrennung entstehenden Gastemperaturen eine sehr niedrige Temperatur auf.

In einer bisher unveröffentlichten Schutzrechtsanmeldung (DE 197 14 796) wurde vorgeschlagen, gezielt Kraftstoff in eine kleine Kolbenmulde und deren Umgebung zu spritzen und nachfolgend nach dem Eintauchen einer die Kolbenmulde weitgehend ausfüllenden Funkenzündeinrichtung in die Mulde, diesen Kraftstoff zu zünden und durch die Erzeugung einer extrem hohen Strömungs­ geschwindigkeit zwischen Kolbenmuldenoberfläche und Funkenzündeinrichtung sicher abzubauen, wobei durch die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase auch innerhalb der Mulde befind­ liche Reste unverbrannten Kraftstoffs schnell und vollständig verbrannt werden.

Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr, daß der in der Umgebung der kleinen Kolben­ mulde auf dem Kolbenboden befindliche Kraftstoff nicht vollständig entfernt wird, was dann zu den vorgenannten Nachteilen beim Kraftstoffverbrauch und bei den Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe führt. Diese Gefahr besteht vor allem dann, wenn die insgesamt in den Brenn­ raum eingespritzte Kraftstoffmenge während des Verdichtungstaktes zugeführt wird.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren aufzuzeigen und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen zu schaffen, durch das bzw. durch die es möglich wird, auch bei einer Wandanlagerung größerer Kraftstoffmengen auf dem Kolben­ boden im Bereich der kleinen Kolbenmulde ein schnelles und vollständiges Abdampfen des Kraft­ stoffs und eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Weitere Aufgaben sind: Die Sicherstellung eines bei jedem Betriebszustand zündfähigen Gemischs an der Zündstelle, eine Verminderung des Einflusses von Serienstreuungen und Alterungserschei­ nungen und dabei insbesondere Veränderungen des Kraftstoff-Strahlbildes bei der Einspritzung, eine Verminderung der thermischen Belastung der Zündeinrichtung, die Erzielung symmetrischer Zündungs- und Verbrennungsverhältnisse, was zur Verminderung der Klopfneigung des Motors führt. Nicht zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine getrennte Optimierung der Verhältnisse im Bereich des Zündfunkens, in der engeren Umgebung der Funkenzündeinrich­ tung sowie im übrigen Hauptbrennraum zu ermöglichen. Die Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren zur Zündung und Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fremdzündung, bei dem zumindest ein Teil des Kraftstoffs auf die Oberfläche einer Kolbenmulde und deren Umgebung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in die Kolbenmulde und deren Umgebung durch Direkteinspritzung gelangt und nach Eintauchen einer Funkenzün­ dung in die Kolbenmulde gezündet wird, wobei als Folge der Expansion der durch die Verbren­ nung entstehenden heißen Gase sowie einer Quetschströmung zwischen Kolben und Zylinder­ kopf und/oder Funkenzündeinrichtung eine im wesentlichen kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase in den weiteren Brennraum hinein erzeugt wird sowie weiterhin verschiedene, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen. Die Kraftstoff-Direkteinspritzung erfolgt dabei entweder während des Ansaugvorgangs und/oder während des Kompressionsvorgangs der Brennkraftmaschine. In jedem Fall wird ein Teil des Kraftstoffs im wesentlichen in Richtung auf die Kolbenmulde gespritzt. Um dieses zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einspritzstrahlachse in einem besonders kleinen Winkel zur Hauptachse des Brennraums, d. h. möglichst steil auf den zentralen Bereich des Kolbenbodens gerichtet wird. Das erfordert eine enge Nachbarschaft von Funkenzündeinrichtung und Einspritz­ ventil.

Um bei früher Einspritzung ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Grundgemisch zu erzeugen, ist ein größerer Kraftstoff-Strahlwinkel sinnvoll. Dadurch gelangt ein Teil des Kraftstoffs auf die Funkenzündeinrichtung, die vorteilhafterweise dann als Vorkammer-Funkenzündeinrichtung ausge­ bildet ist. Das Auftreffen eines Teils des Strahls auf die Vorkammer-Funkenzündeinrichtung be­ wirkt einerseits, daß der vordere Bereich der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung gekühlt wird und andererseits, daß während des Verdichtungstaktes bereits Kraftstoff aus dem Kraftstoffstrahl in die Vorkammer-Funkenzündeinrichtung eindringen kann, wobei sich bereits im Inneren ein für die weitere Gemischbildung und Verbrennung in der Vorkammer vorteilhaftes mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch einstellt.

Noch vor Erreichen des Zündzeitpunkts taucht die Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde ein, wobei zum Zündzeitpunkt im Bereich des Zündfunkens ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Ge­ misch erzeugt wird. Schon vorher wird das oberhalb der Kolbenmulde befindliche Kraftstoff- Luft-Gemisch radial nach außen verdrängt wodurch Gemisch mit hohen Kraftstoffanteilen mit weiter außen befindlichem Gemisch mit geringerem Kraftstoffanteilen in vorteilhafter Weise ver­ mischt wird. Zudem wird dadurch im äußeren Bereich des Kraftstoffstrahls Luft in den Strahl eingemischt und so im Mittel der Luftanteil im Strahl in angestrebter Weise erhöht.

Nach der Zwischenspeicherung des Kraftstoffs auf der Oberfläche der Kolbenmulde und deren Umgebung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in der Kolbenmulde und deren Umgebung wird nach dem Eintauchen der Funkenzündung in die Kolbenmulde Kraftstoff und Luft auf den unterschiedlichsten Wegen zur Zündstelle gelenkt, wo­ durch sich am Zündort eine besonders gleichmäßige Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Ge­ mischs bei besonders gut zündfähiger Zusammensetzung ergibt. Bei einer ersten Lösungsvariante wird bei Annäherung an die OT-Stellung des Kolben aus der Kolbenmulde eine Vorkammer erzeugt, die über einen kreisringförmigen Überströmkanal in radialer Richtung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Bei einer weiterführenden Variante mit Vorkammer-Funkenzündeinrichtung wird über kreisförmige Überströmkanäle eine im wesent­ lichen sternförmige radiale Flammenausbreitung aus der Vorkammer heraus erzeugt. Selbstver­ ständlich ist auch eine Kombination beider genannter Varianten möglich. Bei einer weiteren Lösung mit einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung wird dadurch, daß große Teile der aus der Wirbelkammer austretenden heißen Brenngase, die als eine Mischung aus verbranntem, brennenden und unverbranntem Kraftstoff-Luft-Gemisch verstanden werden kann, mit einer Tangentialkomponente auf die Seitenwand der kleinen Kolbenmulde gelenkt werden, eine starke Verdrallung der aus dem Ringspalt zwischen Vorderseite der Wirbelkammer-Fun­ kenzündeinrichtung und Kolbenmulde austretenden heißen Brenngase erzeugt, die sich dadurch eng auf die Kolbenoberfläche in der Nähe der Kolbenmulde anlegen. Dabei wird ein vorteilhafter weiter, spiralförmig nach außen gerichteter Strömungsweg heißer Brenngase oberhalb der Kolben­ oberfläche in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde erzeugt und ein auf dem Kolbenboden befindlicher Kraftstoff besonders vollkommen bereits in einer frühen Phase der Energieumsetzung im Brennraum abgebaut.

Vor allem bei alleiniger später Einspritzung des Kraftstoffs empfiehlt es sich, während des Ansaug­ vorgangs eine äußere, um die Brennraumachse rotierende Drallströmung durch Maßnahmen im Saugrohr und/oder an einem Einlaßventil bzw. mehreren Einlaßventilen zu erzeugen. Als Folge des Impulsaustauschs mit den Gasen im Kernbereich des Brennraums werden letztere während des Verdichtungstaktes ebenfalls zunehmend in Rotation versetzt. Dabei kommt es u. a. im zentra­ len Bereich des Brennraums zur Ausbildung einer vorteilhaften aufwärtsgerichteten Strömung ent­ gegen der Kraftstoff-Strahlrichtung, wodurch sich ein "Teetasseneffekt" ergibt, durch den flüssige Kraftstoffanteile besonders lange oberhalb des Kolbens im Schwebezustand gehalten werden und dabei verdampfen.

Im weiteren Verlauf der Verbrennung wird durch die vorgenannte Drallströmung und die da­ durch erreichte Fliehkraftwirkung sichergestellt, daß bei kleinen und mittleren Einspritzmengen, d. h. bei unterer und mittlerer Teillast, eine angestrebte Zentrierung des ersten Teils der Verbren­ nung auf dem Kernbereich des Brennraums erfolgt. Dem gleichen Ziel dient eine größere zweite Kolbenmulde, die um die kleine Kolbenmulde herum angeordnet ist. Bei Annäherung an den oberen Totpunkt wird durch einen dann am Umfang des Brennraums zwischen Kolben und Zylinderkopf entstehenden Quetschspalt eine Quetschströmung erzeugt, die im oberen Bereich des Brennraums eine zum Zentrum des Brennraums gerichtete Strömung erzeugt, die entweder Luft oder sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch von äußeren Bereichen des Brennraums in den Bereich der Strahlachse, d. h. in den Bereich mit größerer Kraftstoffkon­ zentration transportiert. Dadurch ist sichergestellt, daß es zu einem ausreichend frühen und voll­ ständigen Umsatz des im Brennraum befindlichen Kraftstoffs kommt.

Durch das Eintauchen einer besonders vorteilhaften Vorkammer-Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde wird zusätzlich eine intensive, ringförmige Strömung entgegen der vorgenannten, im oberen Bereich des Brennraums zum Zentrum des Brennraums gerichteten Strömung erzeugt, was zu einer schnellen Vermischung des kraftstoffreichen Gemischs aus der Kolbenmulde und der Umgebung Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Luft bzw. magerem Gemisch führt. Die Erfindung betrifft weiterhin verschiedene zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vor­ richtungen mit Funkenzündeinrichtungen und insbesondere Vorkammer-Funkenzündeinrichtun­ gen, mit denen gezielt und mit geringem Aufwand eine intensive, sich vor allem gleichmäßig und radial ausbreitende Strömung heißer Gase im engeren Bereich der kleinen Kolbenmulde erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend näher unter Einschluß der anliegenden Unteransprüche erläutert.

Zur Funkenzündung des Gemischs in der kleinen Kolbenmulde kann eine übliche Zündkerze mit mindestens einer fingerförmigen Masseelektrode verwendet werden. Zur Zündung sind hier aber auch andere Ausführungsformen denkbar, wie z. B. eine Anordnung, bei der die Masseelektrode stiftförmig in den Kolben eingelassen ist. Bei dieser Variante würde z. B. der bei der Verbrennung in der Anfangsphase störende Einfluß der Masseelektrode entfallen. Zur Zündung kann selbstver­ ständlich auch eine Gleitfunkenzündeinrichtung verwendet werden, bei der der Zündfunken auf den Keramik-Steinfuß einer Zündkerze erzeugt wird.

Besondere Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffaufbereitung bei niedriger Temperatur der Kolben­ oberfläche und des Kraftstoff-Luft-Gemischs, wie sie z. B. bei und unmittelbar nach einem Kalt­ start des Motors vorliegen, ergeben sich dann, wenn zur Zündung eine Vorkammer-Funkenzünd­ einrichtung verwendet wird. Hierbei befindet sich die Zündstelle innerhalb einer im wesentlichen zylindrischen Vorkammer. Besondere Vorteile ergeben sich dabei dann, wenn die Vorkammer mit Spiel an den Kolbenboden angepaßt ist. Mit dieser Anordnung wird gleichzeitig auch die thermische Belastung von Kolbenboden und Zylinderkopf im engeren Bereich der Funkenzünd­ einrichtung vermindert, die sich bei Ausbildung eines ringförmigen Überströmkanals zwischen dem Zylinderkopf und Kolbenboden ergibt, wenn eine übliche Funkenzündeinrichtung zur Zündung ver­ wendet wird.

Mit der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung werden Zündfackeln erzeugt, die sich im wesentli­ chen radial zur Achse der Vorkammer symmetrisch ausbreiten, wobei der Randbereich der ent­ stehenden Fackelstrahlen die Kolbenoberfläche berührt. Um eine möglichst geschlossene stern­ förmige Ausbreitung zu erreichen, ist eine größere Zahl von im wesentlichen auf einer Ebene der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung und im gleichmäßigen Abstand angeordneten Überströmka­ nälen besonders vorteilhaft.

Um einerseits eine möglichst große Menge des innerhalb der Kolbenmulde befindlichen Kraft­ stoffs während des Kompressionsvorgangs in die Vorkammer-Funkenzündeinrichtung zu lenken, können die Überströmkanäle im vorderen Bereich als Diffusor ausgebildet werden. Die Diffu­ sorform bewirkt gleichzeitig, daß beim Austritt der verbrannten heißen Gase aus der Vorkam­ mer-Funkenzündeinrichtung eine schnelle Auffächerung der Fackelstrahlen und damit eine früh­ zeitige Annäherung der heißen Gase an den Kolbenboden erfolgt. Da die maximale Austrittsge­ schwindigkeit der heißen Brenngase aus der Vorkammer und die Strahldicke deutlich größer ist als die der aus dem Ringkanal ausströmenden Gase, wird der Kernbereich der Fackelstrahlen bei ihrem Eintritt in den Brennraum nur wenig beeinflußt.

Die Lage und Neigung der Überströmkanäle gegenüber dem Kolbenboden wird so gewählt, daß sich einerseits eine gute Abdampfung des Kraftstoffs ergibt, und andererseits aber der Wärmeübergang zum Kolben und damit die Verluste gering bleiben. Um einen möglichst großen Anteil des innerhalb der kleinen Kolbenmulde befindlichen Kraft­ stoffs in die Vorkammer-Funkenzündeinrichtung gelangen zu lassen, und gleichzeitig während des Ausströmvorgangs der heißen Brenngase die thermische Belastung der Kolbenmulde und dabei insbesondere des Bodenbereichs zu vermindern, sind Verbindungsbohrungen zwischen der Stirnseite der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung und den Überströmkanälen vorteilhaft, wobei während des Füllvorgangs der Vorkammer Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Bodenbe­ reich der kleinen Kolbenmulde durch Strahlpumpenwirkung angesaugt wird. Durch den gleichen Effekt wird beim Ausströmen der heißen Brenngase über die Überströmkanäle ein Eindringen dieser Gase in den Bodenbereich der kleinen Mulde unterdruckt bzw. vermindert.

Eine besonders gut anpaßbare kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase in der Umgebung der Kolbenmulde wird dadurch erreicht, daß während des Eintauchvorgangs der Vorkammer in diese, die erzeugten Fackelstrahlen auf die Innenwand der Kolbenmulde treffen und im Ring­ spalt zwischen Vorkammer-Außenwand und Muldenwand eine Drallströmung erzeugen, die nach dem Austritt der heißen Gase aus dem Ringspalt eine sich an die Oberfläche des Kolbenbodens bzw. der äußeren großen Kolbenmulde anlegende Drallströmung aus heißen Brenngasen bewir­ ken. Um die thermische Belastung des Kolbens hierbei sicher zu beherrschen, ist es vorteilhaft, die Kolbenmulde mit einer Hülse aus hochwarmfestem Material auszukleiden. Selbstverständlich ist eine Auskleidung der kleinen Kolbenmulde auch bei einer anderen als der gezeigten Anord­ nung anwendbar.

Um zu vermeiden, daß flüssiger Kraftstoff über die Überströmkanäle zur Zündstelle gelangt, kann bei einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung zwischen den tangentialen Einmündungen der Überströmkanäle in die Wirbelkammer und den Zündstellen eine Auffangeinrichtung für flüs­ sige Kraftstoffanteile angeordnet sein. Diese bei unterschiedlichen Varianten nützliche Einrichtung kann z. B. als eine radial nach außen gerichtete ringförmige Nut ausgebildet sein.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele und wichtige Merkmale der Erfindung anhand der Zeich­ nung beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine Anordnung mit üblicher Zündkerze mit einer zentralen Elektrode und mindestens einer Masseelektrode zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung,

Fig. 2 die Anordnung mit üblicher Zündkerze nach Fig. 1 im oberen Totpunkt OT des Kolbens, in dem ein Ringspalt zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf gebildet wird,

Fig. 3 eine Anordnung mit Vorkammer-Funkenzündeinrichtung zum Zeitpunkt der Kraftstoffein­ spritzung,

Fig. 4 eine Anordnung mit Vorkammer-Funkenzündeinrichtung nach Fig. 3 im OT des Kolbens,

Fig. 5 einen Ausschnitt der Anordnung mit Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mit mehreren Funkenstrecken im OT des Kolbens,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 5 in der Ebene der tangentialen Überström­ kanäle,

Fig. 7 eine Anordnung in Anlehnung an Fig. 5 mit einer zentralen Verbindungsbohrung zur Wirbel­ kammer im Bereich der Stirnseite und zusätzlichen Verbindungsbohrungen zwischen der Stirnseite der Wirbelkammer und den tangentialen Überströmkanälen der Wirbelkammer-Funkenzündein­ richtung,

Fig. 8 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 7 in der Ebene der tangentialen Überström­ kanäle,

Fig. 9 eine Anordnung in Anlehnung an Fig. 7 mit Verbindungsbohrungen von der Stirnseite der Wirbelkammer zu den Überströmkanälen im OT, wobei die tangential austretenden Fackel­ strahlen auf die Seitenwand der Kolbenmulde gelenkt werden,

Fig. 10 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 9 in der Ebene der tangential in die Wirbel­ kammer eintretenden Überströmkanäle.

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anordnung für das Verfahren zur Zündung und Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fremdzündung dargestellt, bei der eine Funkenzündeinrichtung (1) mit üblichen Elektroden (2) zur Entflammung des Gemischs im Brennraum (3) verwendet wird. Der Brennraum wird von Zylinderkopf (4), den Zylinderblock (5) und dem Kolben (6) gebildet. Der Kolben (6) ist in einer Stellung während des Kompressions­ vorgangs gezeigt, in der der Kraftstoff von einer Einspritzdüse (7) in Richtung auf eine kleine Kol­ benmulde (8) gespritzt wird. Insbesondere bei alleiniger Einspritzung des Kraftstoffs während des Verdichtungstaktes besteht die Gefahr, daß der Kraftstoffstrahl (9) beim Auftreffen auf der Oberfläche der Kolbenmulde (8) und dem Kolbenboden (10) noch flüssige Kraftstoffanteile enthält, die sich als Kraftstoffilm bzw. feinverteilte Tröpfchen niederschlagen (11).

Während des weiteren Kompressionsvorgangs, d. h. der weiteren Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum, erwärmt sich der auf der Mulden- und Kolbenoberfläche wandangela­ gerte Kraftstoff und wird teilweise in das Kraftstoff-Luft-Gemisch oberhalb der Oberflächen ein­ gemischt.

Vor allem bei nicht betriebswarmem Motor besteht die Gefahr, daß auch bei weiterer Verdich­ tung ein geringer Anteil des Kraftstoffs als Wandniederschlag auf der Oberfläche der Kolbenmul­ lde und/oder auf der Oberfläche des Kolbens in der engeren Umgebung der Kolbenmulde erhal­ ten bleibt.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 im OT des Kolbens unmittelbar nach Einleitung der Zün­ dung dargestellt. Als Folge der schnellen Kolbenbewegung in Richtung auf OT des Kolbens, kommt es in der Kolbenmulde und in deren Umgebung zu einer intensiven Ladungsbewegung, wodurch sich am Zündort eine besonders gleichmäßige Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bei besonders zündfähiger Zusammensetzung ergibt. Insbesondere wird bei Annähe­ rung an den OT vom Kolben und Zylinderkopf aus der Kolbenmulde eine Vorkammer erzeugt, die über einen kreisringförmigen Überströmkanal (12) in radialer Richtung mit dem Hauptbrenn­ raum verbunden ist. Als Folge der Verbrennung und der mit hoher Geschwindigkeit kolbennah über dem kreisringförmigen Überströmkanal austretenden heißen Gase wird sichergestellt, daß ein flüssiger Kraftstoff auf der Oberfläche der Kolbenmulde und der Oberfläche des Kolbenbo­ dens sicher abgebaut wird und eine frühe wirkungsgradoptimale und schadstoffarme Verbren­ nung des gesamten im Brennraum vorhandenen Kraftstoffs erreicht wird.

In Fig. 3 ist eine beispielhafte Anordnung für das Verfahren dargestellt, bei der eine Vorkammer-Funken­ zündeinrichtung (13) verwendet wird, bei der im wesentlichen im mittleren Bereich des in den Brennraum hineinragenden zylindrischen Teils Überströmkanäle (14) angeordnet sind, die radial oder tangential in die Vorkammer einmünden, wobei nach der Zündung von diesen Fackel­ strahlen erzeugt werden, die im wesentlichen vom Zentrum des Brennraums radial in Richtung auf die äußere Zylinderwand gerichtet sind. Der Kolben ist in einer Stellung während des Kompressionsvorgangs gezeigt, in der Kraftstoff von der Einspritzdüse (7) im wesentlichen in Richtung auf die Kolbenmulde (8) gespritzt wird. Die vergleichsweise kleine Kolbenmulde (8) ist von einer weiteren größeren Kolbenmulde (15) umgeben, die im wesentlichen symmetrisch um die kleine Kolbenmulde herum angeordnet ist. Der durch die Einspritzdüse erzeugte Kraftstoffstrahl (9) ist so ausgebildet, daß er im wesent­ lichen zentral auf beide Mulden gerichtet ist und der äußere Strahlrand nicht über den Rand der größeren Mulde (16) hinausgeht. Der Kolbenboden ist außerhalb der größeren Mulde (17) leicht schräg in Richtung auf den Zylin­ derkopf ausgebildet, um mit einem äußeren, ebenfalls schräg ausgebildeten Teil des Zylinderkopfs (18) eine im wesentlichen parallel ausgebildete Quetschfläche zu erzeugen, die im Brennraum bei Annäherung an den OT wirksam wird. Weiterhin ist in Fig. 3 durch einen Pfeil (19) eine Drallströmung angedeutet, die vor allem bei später Einspritzung des Kraftstoffs nötig wird, um eine stabile Ladungsschichtung im Brennraum und eine schnelle Energieumsetzung zu erreichen. Im Blick auf eine stabile und gleichmäßige Ladungsschichtung und Verbrennung ist es auch vorteil­ haft, wenn das Einspritzventil möglichst zentral angeordnet ist und die Einspritzstrahlachse einem besonders kleinen Winkel zur Hauptachse des Brennraums (20) aufweist, d. h. , der Strahl mög­ lichst steil auf den zentralen Bereich des Kolbenbodens gerichtet wird. Das erfordert eine enge Nachbarschaft von Funkenzündeinrichtung (1) und Einspritzventil (7). Um bei früher Einspritzung ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen ist ein größerer Kraftstoff-Ausbreitungswinkel sinnvoll. Dadurch gelangt ein Teil des Kraftstoffs auf die Vorkammer-Funkenzündeinrichtung, wodurch sich eine Kühlung und ein Transport von Kraft­ stoff während des Verdichtungsvorgangs in die Vorkammer hinein ergibt. Beide Eigenschaften sind vorteilhaft für das Verfahren.

In Fig. 4 ist die Anordnung nach Fig. 3 in der OT-Stellung des Kolbens dargestellt. Hierbei wird beim Eindringen der zylindrischen Zündkammer in die Kolbenmulde, das in der Kolbenmulde und insbesondere im Bodenbereich der Kolbenmulde befindliche, mit Kraftstoff angereicherte Gemisch durch im Boden oder auf der Außenseite der Vorkammer befindliche Bohrungen bzw. Aussparungen in die Vorkammer hineingedruckt. Zusätzlich wird bei Annäherung an OT zuneh­ mend "fettes" Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Bereich oberhalb der großen Kolbenmulde (15) über die Überströmkanäle (14) in die Vorkammer (13) hineingedrückt und in den Bereich der Zündstelle gelenkt. Ein evtl. noch an den Wänden der Kolbenmulde befindlicher flüssiger Kraft­ stoffanteil wird durch die große Strömungsgeschwindigkeit zwischen Vorkammer und Kolben­ mulde entfernt und zerstäubt, wobei auch dieses Gemisch dann entweder in die Zündkammer oder seitlich an der Zündkammer vorbeigelenkt wird. Bei Annäherung an OT entsteht zwischen den äußeren schrägen Flächen von Kolben (17) und Zylinderkopf (18) ein Quetschspalt (19). Die dadurch entstehende Quetschströmung (20), er­ zeugt im oberen Bereich des Brennraums eine zum Zentrum des Brennraums gerichtete Strö­ mung, die entweder Luft oder sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch vom äußeren Rand des Brennraums in den Bereich der Strahlachse transportiert. Dieser Strömung ist nach Fig. 3 (19) eine Drallströmung überlagert und der ringförmigen Strömung entgegengerichtet, die durch das Eintauchen der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung in die kleine Kolbenmulde (8) erzeugt wird. Nach Einleitung der Zündung kommt es zur Ausbildung einer Vielzahl von Fackelstrahlen (21), die eine kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase bewirken.

In Fig. 5 ist der Schnitt durch eine Vorkammer-Funkenzündeinrichtung im durch einen Kreis in Fig. 4 beschriebenen Bereich (22) dargestellt. Der Schnitt zeigt eine als Wirbelkammer-Funken­ zündeinrichtung ausgebildete Anordnung, mit Erzeugung einer Drallströmung durch tangential angeordnete Überströmkanäle (14) und Verwendung einer bekannten Mehrfach-Mittelelektrode (23) mit mehreren Zündfunkenstrecken (24) zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand (25) der Wirbelkammer (13). Um einerseits eine gewünschte Gemischanreicherung an der Zündstelle und andererseits eine besonders gute Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Homogenisierung im Bereich des Zündfunkens zu erreichen, sind die Überströmkanäle im vorde­ ren Bereich als Diffusor (25) ausgebildet. Die Diffusorform bewirkt gleichzeitig, daß beim Austritt der verbrannten heißen Gase aus der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung eine schnelle Auffä­ cherung der Fackelstrahlen und damit eine frühzeitige Annäherung der heißen Gase an den Kol­ benboden außerhalb der kleinen Kolbenmulde erreicht wird. Die Neigung der Überströmkanäle (26) gegenüber dem Kolbenboden (10) wird vorteilhafterweise so gewählt, daß sich einerseits eine gute Abdampfung des Kraftstoffs und andererseits ein nicht zu großer Wärmeübergang an den Kolbenboden ergibt.

Um das über die tangential angeordneten Überströmkanäle (14) strömende Gemisch mit einem hohen Kraftstoffanteil zu versehen, sind auf der Außenseite des unteren Bereichs der Wirbel­ kammer Nuten (27) angeordnet, die Kraftstoff bzw. mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus dem Bodenbereich der Kolbenmulde (28) während des Eindringens der Wirbelkammer-Funken­ zündeinrichtung in die kleine Kolbenmulde vor die Überströmkanäle (14) lenken.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt der Anordnung nach Fig. 5 in Höhe der tangentialen Überströmkanäle.

Fig. 7 zeigt eine weitere Variante einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mit mehreren Funkenstrecken, in der OT-Stellung des Kolbens mit Verbindungsbohrungen (29) zwischen der Stirnseite der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung (13) und den Überströmkanälen (14). Dabei wird während des Füllvorgangs der Wirbelkammer mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus dem Bodenbereich der kleinen Kolbenmulde (28) durch Strahlpumpenwirkung angesaugt, wobei der Strahlpumpeneffekt im Bereich der Verbindung der Überströmkanäle (14) und der Verbindungsbohrungen (29) entsteht (bei 30). Durch den gleichen Effekt wird beim Ausströmen der heißen Gase über die Überströmkanäle ein Eindringen dieser Gase in den Bodenbereich der kleinen Mulde unterdrückt bzw. vermindert. Durch diese Maßnahme wird insgesamt die thermi­ sche Belastung des Bodens der kleinen Kolbenmulde (28) vermindert.

Bei dieser oder auch bei anderen Varianten kann zusätzlich eine kleine zentrale Bohrung (31) zur Füllung des zentralen vorderen Bereichs der Wirbelkammer (32) verwendet werden. Durch die­ sen Überströmkanal (31) wird gleichzeitig sichergestellt, daß nach der Zündung und dem Austritt heißer Brenngase kein flüssiger Kraftstoff im Bodenbereich der Kolbenmulde verbleibt.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt der Anordnung nach Fig. 7 in Höhe der tangentialen Überströmkanäle.

Fig. 9 zeigt eine weitere Variante einer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung' bei der während des Eintauchens der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung die über die tangentialen Überström­ kanäle (14) austretenden heißen Brenngase auf die Seitenwand der Kolbenmulde (33) treffen und im Ringspalt zwischen Wirbelkammer-Außenwand und Muldenwand (34) eine Drallströ­ mung erzeugen, die nach dem Austritt der heißen Gase aus diesem eine sich an die Oberfläche des Kolbenbodens (10) anlegende Drallströmung (35) aus heißen Brenngasen bewirken.

Um die thermische Belastung des Kolbens sicher zu beherrschen, wird die Kolbenmulde mit einer Hülse aus hochwarmfestem Material (36) ausgekleidet. Eine solche Auskleidung der Kol­ benmulde kann selbstverständlich auch bei einer anderen als der gezeigten Anordnung - z. B. auch nach bei einer nach den Fig. 1 bis 8 - verwendet werden.

Um zu vermeiden, daß flüssiger Kraftstoff über die Überströmkanäle zur Zündstelle gelangt, ist zwischen den tangentialen Einmündungen der Überströmkanäle in die Wirbelkammer (37) und den Zündstellen (24) eine Auffangeinrichtung für flüssige Kraftstoffanteile (37) angeordnet, die als radial nach außen gerichtete, ringförmige Nut (38) ausgebildet ist.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt der Anordnung nach Fig. 9 in Höhe der tangentialen Überströmkanäle.

Claims (34)

1. Verfahren zur Zündung und Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkt­ spritzung, bei dem zumindest ein Teil des Kraftstoffs auf die Oberfläche einer Kolbenmulde und deren Umgebung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in die Kolbenmulde und deren Umgebung durch Direkteinspritzung gelangt und nach Eintauchen einer Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde gezündet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach der Funkenzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs als Folge der Expansion der durch die Verbrennung entstehenden heißen Gase sowie einer Quetschströmung zwischen Kolben und Zylinderkopf und/oder Funkenzündeinrichtung eine im wesentlichen kolbenboden­ nahe Strömung heißer Brenngase erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kolbenbodennahe Strö­ mung heißer Brenngase im wesentlichen gleichförmig radial vom Rand der Kolbenmulde nach außen ausbreitet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verdichtungstaktes im Brennraum vom Motorkolben und dem Zylinderkopf eine Quetschströ­ mung gebildet wird, die sich im wesentlichen quer zur Hauptachse des Zylinders der Brennkraft­ maschine nach innen, d. h. in Richtung auf die Kolbenmulde ausbreitet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase vom Rand einer größeren zweiten Kolbenmulde begrenzt wird, die die erste Kolbenmulde umgibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere im äußeren Bereich des Brennraums während des Ansaugvorgangs für die Verbrennungsluft eine Drallstömung erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallstömung durch Maßnah­ men im Saugrohr und/oder an einem Einlaßventil bzw. mehreren Einlaßventilen erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallstömung am Ende des Verdichtungstaktes des Motors durch Quetschmaßnahmen am Brennraumrand in Richtung der ersten Kolbenmulde gelenkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende des Verdichtungstak­ tes im Brennraum vom Rand des Brennraums nach innen gerichtete sekundäre Strömung sich zu­ nächst im oberen Teil des Brennraums ausbildet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenboden­ nahe Strömung heißer Brenngase aus einem im wesentlichen geschlossenen und scheibenförmigen Strahl besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenbo­ dennahe Strömung heißer Brenngase aus einem im wesentlichen geschlossenen, verdrallten und scheibenförmigem Strahl besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenbodennahe Strö­ mung heißer Brenngase im wesentlichen aus einer Vielzahl von Einzelstrahlen besteht.

12. Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 und 2 sowie 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß sich die kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase im wesentlichen parallel zum Kolbenbo­ den vom Rand der ersten Kolbenmulde ausbreitet.

13. Zündvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Kolbenmulde im wesentlichen zentral im Kolben angeordnet ist.

14. Zündvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kolbenmulde eine kleine Kolbenmulde ist, und daß im wesentlichen nur die Funkenzündeinrichtung mit ausreichendem Spiel zu den Wänden und dem Boden in diese hineinpaßt.

15. Zündvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Kolbenmulde im wesentlichen eine zylindrische Form aufweist.

16. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde im wesentlichen am oberen Rand eine allseitig geschlossene Form aufweist.

17. Zündvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funkenzündung eine Zündkerze mit einer zentralen Elektrode und mindestens einer äußeren Masse­ elektrode verwendet wird.

18. Zündvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funkenzündung eine im wesentlichen zylindrische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung verwendet wird, die in die Kolbenmulde eintaucht.

19. Zündvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylin­ drische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung als Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung ausgebil­ det ist.

20. Zündvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung eine Mehr­ fach-Mittelelektrode verwendet wird, die im wesentlichen radial zur Achse der Wirbelkammer mehrere Funkenstrecken zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Wirbelkammer er­ zeugt.

21. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mindestens einen tangetial in die Wirbelkammer einmün­ denden Überströmkanal enthält.

22. Zündvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mindestens einen tangential in die Wirbelkammer einmündenden Überströmkanal enthält, der im vorderen Bereich als Diffusor ausgebildet ist.

23. Zündvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung im vorderen Bereich im wesentlichen parallel zu ihrer Hauptachse seitlich mindestens eine Nute angeordnet ist, über die Kraftstoff oder mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus der ersten Kolbenmulde vor mindestens einen tangential in die Zünd­ kammer einmündenden Überströmkanal geführt wird.

24. Zündvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Stirnseite der Wir­ belkammer-Funkenzündeinrichtung eine zentrale Bohrung angeordnet ist.

25. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß außer­ halb der Achse der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mindestens eine Bohrung im wesent­ lichen parallel zur Hauptachse der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung angeordnet ist, die in mindestens einen der tangential in die Zündkammer einmündenden Überströmkanäle einmündet.

26. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen mindestens einer Einmündung eines tangential in in die Zündkammer einmündenden Über­ strömkanals und einer der Zündstellen innerhalb der Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung eine zum Auffangen flüssiger Kraftstoffanteile geeignete Vorrichtung angeordnet ist.

27. Zündvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Auffangen flüs­ siger Kraftstoffanteile geeignete Vorrichtung eine von der Kammerachse radial nach außen ge­ richtete ringförmig umlaufende Nut ist.

28. Verfahren zur Kraftstoff-Direkteinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kraft­ stoffstahls auf einen Teil der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung auftrifft um dort reflektiert zu werden, zu verdampfen oder über einen oder mehrere der Überströmkanäle während des Ver­ dichtungsvorgangs im Brennraum in die Vorkammer hinein zu gelangen.

29. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 9 und mindestens einem der Ansprüche 13 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß die kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase durch einen Ring­ spalt erzeugt wird, der sich bei Annäherung des Motorkolbens an den Zylinderkopf zwischen diesem und dem Kolbenboden - um die erste Kolbenmulde herum - ausbildet.

30. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 10 und mindestens einem der Ansprüche 13 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß die kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase, die aus einem im wesentlichen geschlossenen, verdrallten und scheibenförmigem Strahl besteht, in der ersten Kol­ benmulde dadurch erzeugt wird, daß nach Eintauchen der Wirbelkammer-Funkenzündeinrich­ tung in die erste Kolbenmulde und Annäherung des Kolbens an den Oberen Totpunkt, die Fac­ kelstrahlen auf die Kolbenmulden-Seitenwand treffen und im Ringspalt zwischen der Wirbelkam­ mer-Außenwand und der Kolbenmulden-Seitenwand eine Drallströmung erzeugen, wobei nach Austritt der heißen Gase aus dem Ringspalt eine sich an die Oberfläche der großen zweiten Kol­ benmulde anlegende Drallstömung aus heißen Brenngasen entsteht.

31. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kolbenmulde mit einer Büchse aus hochwarmfestem Material ausgekleidet ist.

32. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 11 und mindestens einem der Ansprüche 13 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß die kolbenbodennahe Strömung heißer Brenngase, die im wesentli­ chen aus einer Vielzahl von Einzelstrahlen besteht, durch im wesentlichen gleichmäßig im Um­ fangsbereich einer Vorkammer angeordnete Überstömkanäle erzeugt wird.

33. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der in eine Vorkammer einmündenden Überströmkanäle gegenüber der Ober­ fläche des Kolbenbodens bzw. der zweiten größeren Kolbenmulde geneigt angeordnet sind.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Überström­ kanäle in Richtung auf den Zylinderkopf geneigt angeordnet sind.