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Die
Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die
innere Gemischbildung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes
mit separat zugeführter
Verbrennungsluft ermöglicht
einen Schichtladungsbetrieb, welcher in weiten Teillastbereichen
der Brennkraftmaschine eine deutliche Verringerung des Kraftstoffverbrauches
im Vergleich mit anderen bekannten Gemischbildungs-Verfahren erreicht.
Die geschichtete Brennraumladung wird dabei durch Kraftstoffeinspritzung
während
des Kompressionshubes des Kolbens erreicht, wobei sich in der kurzen
Zeitspanne zur Gemischaufbereitung zwischen Kraftstoffeinspritzung
und Gemischzündung
inhomogenes, geschichtetes Gemisch mit hoher Kraftstoffkonzentration
im Bereich des Kraftstoffstrahls bildet. Es liegt also im Brennraum
bereichsweise zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch
in Form einer Gemischwolke vor, um die herum die Gemischverhältnisse
zunehmend magerer werden, so daß die
Otto-Brennkraftmaschine insgesamt mit Luftüberschuß betrieben werden kann. Eine
stabile Ladungsschichtung, welche eine weitgehende Entdrosselung
im Teillastbereich und sogar einen drosselfreien Betrieb im Leerlauf
ermöglicht,
wird durch Einspritzung eines kegel förmigen Kraftstoffstrahls erreicht,
wobei der Injektor mit einer entsprechenden Einspritzdüse ausgestattet
wird.
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Die
Gemischwolke ist durch einen zwischen Elektroden einer Zündkerze überspringenden
Zündfunken
zu zünden.
Die Zündung
der stabilen Schichtladung mit Luftüberschuß erfolgt oft mit einer unmittelbar
dem Injektor benachbart angeordneten Zündkerze, wodurch sichergestellt
ist, daß zündfähiges, d. h.
kraftstoffreiches Gemisch vom Zündfunken
erfaßt wird.
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Eine
solche Otto-Brennkraftmaschine ist bereits aus der
DE 43 24 642 A1 bekannt.
Die Zündung und
Entflammung des Gemisches erfolgt im Schichtladungsbetrieb rasch
nach Beendigung der Kraftstoff-Einspritzung, bevor eine zunehmende
Homogenisierung des geschichteten Gemisches eintritt und die zündfähige Gemischwolke
sich in Richtung des Kraftstoffstrahls von den injektornah angeordneten Elektroden
fortbewegt. Die Elektroden der Zündkerze ragen
bei der bekannten Anordnung tief in den Brennraum und ins Innere
des bei der Einspritzung erzeugten kegelförmigen Kraftstoffstrahls. Die
Elektroden werden bei der Einspritzung mit Kraftstoff benetzt, welcher
bis zum Zündzeitpunkt
nicht vollständig
verdampfen kann und beim Verbrennungsvorgang Ablagerungen auf den
Elektroden verursacht. Die zunehmende Verkokung der Elektroden führt zu Gleitentladungen
und somit zu Zündaussetzern
und die Zündkerze
wird rasch funktionsuntüchtig.
Darüberhinaus
steht bei einem solchen "strahlgeführten" Direkteinspritzkonzept,
wobei der Kraftstoff von der Strömungsbewegung
im Kraftstoffstrahl an die injektornahen Elektroden gebracht wird,
bis zum Zündzeitpunkt
nur eine kurze Zeitspanne zur Gemischaufbereitung zur Verfügung, so
daß häufig Rußentwicklung
aufgrund unvollständiger
Kraftstoffverbrennung bei ungenügender
Gemischaufbereitung zu beobachten ist.
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In
der
JP 07-19 054 A ist
eine Otto-Brennkraftmaschine beschrieben mit einer Brennraumkonfiguration,
bei der zwischen der Zündkerze
und dem Injektor zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum
eine Erhebung in der Brennraumbegrenzung ausgebildet ist. Die Elektroden
der Zündkerze liegen
außerhalb
des Einspritzstrahls des Injektors. Um dennoch zündfähiges Gemisch zu den Elektroden
zu bringen, ist die Erhebung in der Brennraumbegrenzung derart ausgebildet,
daß der
Kraftstoffstrahl nach dem Verlassen der Einspritzdüse in Richtung α benachbart
der Erhebung ausgebildet wird. Die Erhebung wirkt ansaugend auf
den vorbeiströmenden
Kraftstoffstrahl, welcher auf diese Weise eine ablenkende Wirkung
erfährt
in Richtung auf die zurückliegend
angeordnete Zündkerze.
Der Injektor ist bei dieser Otto-Brennkraftmaschine am Rand des Zylinders
angeordnet und spritzt einwärts
gerichtet in den Brennraum ein. Die Zündkerze ist dementsprechend
mittig angeordnet. Die Elektroden müssen nahe der Einspritzlinie
liegen, um so aufgrund des strömungsmechanischen
Einflusses der Erhebung in der Brennraumbegrenzung von angesogenem
Kraftstoff erfaßt
werden zu können.
Es ist daher zum einen erforderlich, daß die den Brennraum begrenzende
Innenseite des Zylinderkopfes flach ausgebildet sein muß, wenn
der Injektor wie vorgesehen radial außenliegend angeordnet ist.
Der Injektor muß dabei einen
flachen Einspritzstrahl mit geringem Winkel gegenüber der
Zylinderkopfinnenseite in den Brennraum einspritzen, so daß sich Kraftstoff
in der Nähe der
Zündkerze
befindet.
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Die
DE 195 46 945 A1 offenbart
eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine, bei der die Elektroden
der Zündkerze
außerhalb
des Kegelmantels des Kraftstoffstrahls angeordnet sind und daher bei
der Einspritzung nicht mit Kraftstoff benetzt werden, so daß Verkokungen
ausgeschlossen sind. Das Brennraumdach ist etwa kegelförmig ausgebildet
und verläuft
mit Abstand parallel zu dem Kegelmantel. Durch den zwischen Kraftstoffkegel
und Brennraumdach gebildeten Luftspalt soll ein Luftstrom, welcher zuvor
vom Einspritzstrahl verdrängt
wurde, aus Kontinuitätsgründen entgegen
der Strahlrichtung zurückströmen und
eine Wirbelströmung
auslösen,
welche Kraftstofftröpfchen
bzw. Gemisch aus dem Kegelmantel mitreißt und zu den Elektroden transportiert. Die
strömungsmechanische
Ausbildung der Gemischwirbel, in die die Elektroden einragen müssen, ist
jedoch unkontrollierbar. Bei geringer Wirbelstärke im Bereich der Zündkerze
kann nicht genügend
Kraftstoff aus dem Kegelmantel gelöst werden, um zündfähiges Gemisch
zwischen die Elektroden zu bringen. Zündaussetzer sind die unvermeidliche
Folge.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart
auszubilden, daß im
Schichtladungsbetrieb eine genügende
Aufbereitung sowie eine stabile Entflammung und Verbrennung des
Kraftstoff/Luft-Gemisches dauerhaft gewährleistet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine direkeinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
des Brennraumdachs mit einem etwa parallel zum Kegelmantel verlaufenden
Führungssteg
zwischen Injektor und Zündkerze
ermöglicht,
daß trotz
der Anordnung der Elektroden abseits des Kegelmantels zündfähiges, kraftstoffreiches
Gemisch herangeführt
wird. Die nahe Lage des Kegelmantels an der Wandung des Brennraumdaches
löst eine
auswärts
gerichtete Ablenkung der im Kegelmantel geführten Kraftstofftröpfchen aus.
Die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls wird dabei von der seitlich
nahen Brennraumwandung beeinflußt,
indem an der Brennraumwandung ein Unterdruck entsteht, welcher ein
Anziehen der Strömungsschichten
des Kegelmantels erzwingt. Diese Ablenkungserscheinung einer benachbart
eines Festkörpers
ausgebildeten Strömung
wird als Coanda-Effekt bezeichnet, der mit einfachen Mitteln den
Transport zündfähigen Gemisches
zur Zündkerze
ermöglicht. Durch
die Länge
in Mantellinienrichtung des Kegelmantels und die Breite des Strahlbereiches,
welcher nahe der Wandung des Brennraumdaches entlanggeführt wird,
kann das Maß der
Ablenkung in Richtung der Elektroden der Zündkerze variiert werden. Unter
Ausnutzung des Coanda-Effektes kann die Entfernung zwischen Injektor
und den Elektroden vergrößert werden,
wodurch bis zur Zündung
eine genügende
Gemischaufbereitung erfolgt und Rußbildung zuverlässig vermieden
ist.
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Der
Führungssteg
kann bis an eine Aufnahmeöffnung
der Zündkerze
im Brennraumdach heranreichen, wodurch die Ablenkung infolge des
Coanda-Effektes verstärkt
ist. Sind die Elektroden im Mündungsbereich
der Aufnahmeöffnung
der Zündkerze angeordnet,
so werden sie von der Leibung des Führungssteges zuverlässig vor
einer Kraftstoffbenetzung geschützt.
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Weitere
erfinderische Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch den Brennraum einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine,
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2 in
einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1 den vom
Brennraumdach ausgebildeten Führungssteg,
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3 eine
Draufsicht des Zylinderkopfes gemäß 1 vom Brennraum
aus.
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In 1 ist
ein Zylinder 2 einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1 dargestellt,
in dem ein Kolben 3 längsbeweglich
angeordnet ist. Der Kolben 3 begrenzt mit einem von der
Innenseite eines Zylinderkopfes 4 gebildeten Brennraumdach 7 einen
Brennraum 5 im Zylinder 2. Das Brennraumdach 7 ist
trichterförmig
ausgebildet, wobei der Scheitel des Brennraumdaches 7 zentrisch
im Zylinder 2 liegt. Im Scheitel des Brennraumdaches 7 ist ein
Injektor 6 angeordnet, welcher zur inneren Gemischbildung
mit separat zugeführter
Verbrennungsluft einen kegelförmigen
Kraftstoffstrahl 9 in den Brennraum 5 einspritzt.
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Der
Kraftstoffstrahl 9 öffnet
sich auf den Kolben 3 gerichtet symmetrisch zu einer Zylinderachse 12 im
Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wobei der
Kraftstoff während
des Kompressionshubes des Kolbens 3 eingespritzt wird.
Im Brennraum 5 bildet sich entsprechend der kegelförmigen Kontur des
Einspritzstrahls 9 eine zentrale Gemischwolke mit kraftstoffreichem,
zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch.
In radialer Richtung wird das Gemischverhältnis der Gemischwolke zunehmend
magerer. Das trichterförmige
Brennraumdach 7 liegt vom Kegelmantel 10 des Kraftstoffstrahls 9 weit
entfernt und ermöglicht
eine freie Ausbreitung des Kraftstoffstrahls 9, wodurch
die stabile Schichtung bei der Gemischbildung begünstigt ist.
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Das
Gemisch ist durch einen Zündfunken
zu zünden,
welcher zwischen den Elektroden 11a, 11b einer
Zündkerze 8 überspringt.
Die Elektroden 11a, 11b liegen dabei außerhalb
des Kegelmantels 10. Um zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch
zu den Elektroden 11a, 11b zu transportieren,
ist das Brennraumdach derart gestaltet, daß der Kegelmantel 10 bei
der Einspritzung in einem sich zwischen Injektor 9 und den
Elektroden der Zündkerze 8 erstreckenden
Abschnitt unmittelbar benachbart der Wandung des Brennraumdaches 7 gebildet
wird.
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Die
wandnahe Ausbildung des Kegelmantels in dem zwischen Injektor 6 und
Zündkerze 8 liegenden
Abschnitt des Brennraumdaches wird dadurch erreicht, daß sich ein
Führungssteg 13 aus
dem betreffenden Abschnitt des Brennraumdaches 7 erhebt, welcher
etwa parallel zur Mantellinie des Kegelmantels 10 verläuft. Der
nahe dem Führungssteg 13 entstehende
Unterdruck infolge des Coanda-Effektes saugt die im Kegelmantel
geführte,
kraftstoffreiche Gemischströmung
an. Die durch den Führungssteg herbeigeführte Ablenkung
des in Richtung einer Mantellinie des Kegelstrahls 10 strömenden Kraftstoffes
bringt zündfähiges Gemisch
zwischen die Elektroden 11a, 11b der Zündkerze 8.
Trotzdem die Elektroden 11a, 11b geometrisch außerhalb
des Kegelmantels 10 liegen und somit nicht vom Kraftstoffstrahl 9 erfaßt werden und
mit Kraftstoff benetzt werden, wird im Schichtladungsbetrieb der
Brennkraftmaschine 1 zündfähiges Gemisch
vom Zündfunken
erfaßt
und eine sichere Entflammung der Gemischwolke im Brennraum 5 herbeigeführt.
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Der
Führungssteg 13 reicht
bis an eine Aufnahmeöffnung 15 der
Zündkerze 8 im
Brennraumdach 7 heran, wodurch der Coanda-Effekt die abgelenkte
Gemischströmung
in den Mündungsbereich der
Aufnahmeöffnung 15 zwingt.
Die Leibung des Führungssteges 13 bildet
im Mündungsabschnitt
der Aufnahmeöffnung 15 eine
Zündkammer,
in der das abgelenkte Gemisch gezündet wird und die Brennraumladung
auf breiter Front entflammt. Die Elektroden 11a, 11b liegen
dabei etwa auf Höhe
der Oberfläche
des Führungssteges 13 und
werden von der Leibung vor dem Anspritzen mit flüssigem Kraftstoff geschützt. Die
Zündkerze 8 kann
vorteilhaft derart angeordnet werden, daß ihre axiale Erstreckung, welche
die Funkenstrecke zwischen den Elektroden 11a, 11b bestimmt,
etwa senkrecht zum Kegelmantel 10 des Kraftstoffstrahls 9 liegt.
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Die 2 zeigt
in einem Schnitt entlang der Linie II-II in 1 das Profil
des Führungssteges 13, welches
die erfindungsgemäße Ablenkung
der Krafstoffströmungen
des Kegelmantels auf die Elektroden begünstigt. Der aus der Brennraumwand 7 erhabene
Führungssteg 13 ist
mit einer Kehle 14 versehen, welche sich über die
Breite des Führungssteges 13 erstreckt.
Die Kehle 14 bildet die ablenkend auf den eingespritzten
Kraftstoffkegel wirkende Oberfläche
des Führungssteges 13.
Sie ist kreisabschnittförmig
geformt und umfaßt
daher den Kegelmantel des Kraftstoffstrahls in dem unter Ausnutzung
des Coanda-Effektes zu beeinflussenden Mantelabschnitt zwischen
Injektor und den Elektroden der Zündkerze. Der Radius R der Kehle 14 ist
dabei konzentrisch zum Kraftstoffstrahl ausgebildet. Bei der Kraftstoffeinspritzung
liegt der Führungssteg 13 somit über eine genügende Breite
nahe dem Kraftstoffkegel.
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Die
Stärke
der durch den Coanda-Effekt herbeigeführten Saug- und Auslenkungswirkung
am Kegelstrahl ist sowohl durch Variation der Länge als auch der Breite des
Führungssteges 13 variierbar,
d. h. dem durch die Kehle 14 gebildeten Bogenwinkel, welcher
den Kegelstrahl umfaßt.
Durch geeignete Wahl der Länge
des Führungssteges 13 bzw.
dessen Breite (Umfangswinkel der Kehle 14) ergeben sich bei
der Gestaltung des Führungssteges 13 eine
Vielzahl von Möglichkeiten
zur Beeinflussung des Kegelstrahls 9 mit Hilfe des Coanda-Effektes.
Die Positioniermöglichkeiten
für die
Elektroden der Zündkerze sind
erheblich erweitert. Die freie Wahl der Funkenlage im Brennraum
schafft optimale Betriebsbedingungen im Hinblick auf die Gemischaufbereitung
einerseits und die Gemischentflammung und -verbrennung andererseits,
deren jeweilige Anforderungen an die räumliche Anordnung des Injektors
und der Zündkerze
relativ zueinander teilweise im Gegensatz zueinander stehen. Sowohl
eine injektornahe als auch eine injektorferne Funkenlage ist bei
grundsätzlich außerhalb
des Kegelmantels liegenden und daher vor Verkokungen geschützten Elektroden
der Zündkerze
möglich.
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3 zeigt
eine Draufsicht des im Zylinderkopf trichterförmig ausgebildeten Brennraumdaches 7,
aus dem sich in radialer Erstreckung der Führungssteg 13 erhebt.
Der Führungssteg 13 erstreckt sich
ausgehend vom Injektor 6 über die im Zylinderkopf ausgebildete
Aufnahmeöffnung 15 für die Zündkerze 8 hinaus
bis nahe der Wand des Zylinders 2. Der auf den Kraftstoffkegel
wirkende Abschnitt des Führungssteges 13 zwischen
Injektor 6 und Zündkerze 8 erhebt
sich höher
als der radial hinter der Aufnahmeöffnung 15 liegende
Abschnitt, wie aus der 1 als Schnitt entlang der Linie
I-I der 3 deutlich hervorgeht. über die
radiale Lage der Zündkerze 8 im
Brennraumdach 7 bzw. über
die Lage der Elektroden 11a, 11b wird der Verbrennungsvorgang
im Brennraum maßgeblich
beeinflußt.
Sie kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Führungssteges 13 und
der dadurch erreichten Wirkungsweise frei gewählt werden, so daß die Möglichkeiten
der Verbrauchssenkung, welche die Direkteinspritzung im Schichtladungsbetrieb
prinzipiell bietet, besser genutzt werden können.
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In
Umfangsrichtung des Brennraumdaches 7 liegt die Aufnahmeöffnung 15 der
Zündkerze 8 etwa mittig
im Bereich des Führungssteges 13.
Die Elektroden 11a, 11b sind in der Einbaulage
der Zündkerze 8 im
Mündungsbereich 16 der
Aufnahmeöffnung 15 angeordnet
und liegen dabei etwa auf Höhe
des Grundes der am Führungssteg 13 ausgebildeten Kehle 14.
Aufgrund der bogenförmigen
Ausgestaltung der Kehle 14 und der Schräglage der Zündkerze zur Zylinderachse ist
der im Mündungsbereich 16 gebildete
Rand der Aufnahmeöffnung 15 in
Richtung auf den Injektor 6 gestreckt. Das Einströmen des
aufgrund des Coanda-Effektes abgelenkten Kraftstoff/Luft-Gemisches
in die Zündkammer
im Mündungsbereich 16 und
der Transport zwischen die Elektroden 11a, 11b ist
somit erleichtert.
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Die
erfindungsgemäße Gestaltung
des Brennraumdaches 7 zur Beeinflussung des Kegelstrahls
des Injektors 6 und zum Transport von zündfähigem Gemisch zur Zündkerze 8 ist
bei einer Otto-Brennkraftmaschine unabhängig von der Lage der Gaswechselventile 17 im
Brennraumdach 7 anwendbar. Die Strömungsgeschwindigkeit im Gemischkegel
bzw. der zentral im Schichtleitungsbetrieb gebildeten Gemischwolke
wird im wesentlichen von dem mit hohem Druck eingespritzten Kraftstoffstrahl
bestimmt. Die Beeinflussung des Kegelstrahls mit Hilfe des Coanda-Effektes
erfolgt unabhängig
von dem gewählten
Gemischbildungskonzept und den Strömungsrichtungen der Verbrennungsluft
beim Eintritt in den Brennraum.