DE19826865B4

DE19826865B4 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19826865B4
Application number: DE19826865A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ottowitz
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: DE19826865A1

Abstract

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die zur Erhöhung des Abgasmassenstroms mittels der Einspritzdüse (5) eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (1) durchführt, wobei die Nacheinspritzung des Kraftstoffs während des Auslaßtaktes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der nacheingespritzte Kraftstoffstrahl (K) auf wenigstens ein geöffnetes Auslaßventil (7) gerichtet ist, so daß der Kraftstoffstrahl (K) im wesentlichen bis in den Auslaßkanal (11) gelangt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die zur Erhöhung des Abgasmassenstroms mittels der Einspritzdüse eine Haupteinspritzung und eine Nacheinspritzung in den Brennraum durchführt, wobei die Nacheinspritzung während des Auslaßtaktes erfolgt.

Aus der Druckschrift DE 41 39 291 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Erzielung einer verbesserten Abgasentgiftung und eines schnelleren Hochfahrens der Abgasturbine im Bereich des Abgaskrümmers eine zusätzliche Menge an Kraftstoff zugeführt wird, welche kurz vor der Abgasturbine fremdgezündet wird. Diese Brennkraftmaschine hat jedoch den Nachteil, daß aufwendige Einrichtungen für die Zufuhr und für die Zündung des zusätzlichen Kraftstoffs vorgesehen werden müssen.

Aus der Druckschrift DE 44 39 573 A1 geht eine gattungsbildende direkteinspritzende Brennkraftmaschine hervor, bei der im Leerlauf der Brennkraftmaschine gegen Ende der eigentlichen Verbrennungsphase zusätzlicher Brennstoff in die Zylinder eingespritzt wird. Die dadurch bewirkte Erhöhung des Energieinhalts der Abgase führt zur Drehzahlerhöhung eines Abgasturboladers und zur Temperaturerhöhung eines Katalysators.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte direkteinspritzende Brennkraftmaschine zu konzipieren, bei der im Abgasstrang keine zusätzlichen Einspritzvorrichtungen erforderlich sind und bei der nacheingespritzter Kraftstoff trotzdem bis kurz vor den Abgasturbolader beziehungsweise bis kurz vor den Katalysator transportiert werden kann. Zudem soll die verbesserte Brennkraftmaschine ohne großen technischen Aufwand realisierbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem der in den Brennraum nacheingespritzte Kraftstoff auf wenigstens ein geöffnetes Auslaßventil gerichtet ist, so daß der Kraftstoffstrahl im wesentlichen bis in den Auslaßkanal gelangt. Dadurch kann die Nacheinspritzung, ausgehend von der im Brennraum angeordneten Einspritzdüse, sich bis in den Auslaßkanal bzw. Abgastrakt der Brennkraftmaschine erstrecken.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung gelangt der nacheingespritzte Kraftstoff durch eine definierte Reflexion an der Rückseite des Tellers des geöffneten Auslaßventils in den Auslaßkanal. Somit kann auch dann, wenn eine direkte Kraftstoffeinspritzung vom Brennraum ausgehend bis in den Auslaßkanal nicht möglich ist, erreicht werden, daß der Kraftstoffstrahl im wesentlichen bis in den Abgastrakt gelangt.

Bevorzugt weist die Rückseite des Tellers des Auslaßventils eine katalytische Beschichtung auf. Denn diese Beschichtung kann die Verbrennungsreaktion des nacheingespritzen Kraftstoffs und des im Brennraum befindlichen Restgases begünstigen. Darüber hinaus kann die Beschichtung die Rückseite des Tellers des Auslaßventils vor zu starker thermischer Beanspruchung schützen.

Ist die Einspritzdüse im Brennraum der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine dezentral angeordnet, so beträgt der Winkel zwischen der Mittelachse des eingespritzten Kraftstoffstrahls und der Achse des Auslaßventils ca. 0 bis 160 Grad. Und ist die Einspritzdüse dagegen zentral angeordnet, so beträgt der Winkel zwischen der Mittelachse des eingespritzten Kraftstoffstrahls und der Achse des Auslaßventils ca. 60 bis 120 Grad.

Vorteilhaft weitet sich der Kraftstoffstrahl mit einem Kegelwinkel von bis zu ca. 75 Grad auf. Denn bis zu diesem Kegelwinkel ist stets gewährleistet, daß der nacheingespritzte Kraftstoffstrahl im wesentlichen bis in den Auslaßkanal gelangt.

Außerdem ist es vorteilhaft wenn der Kraftstoffstrahl unter einem Bendwinkel von bis zu ca. 60 Grad aus der Einspritzdüse austritt. Durch dieses Merkmal kann die Einspritzdüse sogar koaxial zur Achse des Zylinders angeordnet sein und der daraus austretende Kraftstoffstrahl dennoch im wesentlichen bis in den Auslaßkanal der Brennkraftmaschine gelangen.

Zweckmäßig sind eine gleiche Anzahl von Einspritzdüsen wie Auslaßventile vorgesehen, die einander jeweils paarweise zugeordnet sind, so daß immer eine Einspritzdüse auf ein geöffnetes Auslaßventil gerichtet ist.

Ist für den nacheingespritzten Kraftstoffstrahl im Kolben der Brennkraftmaschine eine Kraftstoffrinne vorgesehen, so kann der Kraftstoff weitgehend unabhängig von der Form der Stirnfläche des Kolbens bis in den Auslaßkanal gelangen.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1a Eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, in vereinfachter Darstellung;
1b eine Draufsicht der ersten Ausführungsform aus 1a;
2a eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine; und
2b eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform aus 2a.
Der Brennraum 1 einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine wird von einem Zylinder 2, einem sich an den Zylinder 2 anschließenden Zylinderkopf 3 und einem sich in dem Zylinder 2 auf- und abbewegenden Kolben 4 begrenzt.
In den Brennraum 1 weist zylinderkopfseitig eine Einspritzdüse 5, die sowohl eine Haupteinspritzung als auch eine Nacheinspritzung durchführen kann, wobei die Haupteinspritzung im wesentlichen während des Ansaugtaktes und die Nacheinspritzung während des Auslaßtaktes der Brennkraftmaschine erfolgt.
Im Zylinderkopf 3 sind abgesehen von der Einspritzdüse 5 auch zwei Einlaßventile 6 und ein Auslaßventil 7 angeordnet, die mittels eines nicht dargestellten Ventiltriebs betätigt werden. An die von den Einlaßventilen 6 be herrschten Öffnungen 8 schließen sich zwei Einlaßkanäle 9 an und an die von dem Auslaßventil 7 beherrschte Öffnung 10 schließt sich ein Auslaßkanal 11 an, der zu einer brennraumnahen Katalysatoreinrichtung 12 führt.
Die Lage der Mittelachse M sowie die Größe des Kegelwinkels α des aus der Einspritzdüse 5 austretenden Kraftstoffstrahls K sind so gewählt, daß die Haupteinspritzung, die Nacheinspritzung und deren Verbrennung jeweils unter günstigen Bedingungen ablaufen können. Für die Nacheinspritzung gilt außerdem, daß der Kraftstoffstrahl K auf das während des Auslaßtaktes geöffnete Auslaßventil 7 gerichtet ist, damit der Kraftstoffstrahl K aus dem Brennraum 1 durch die von dem Auslaßventil 7 beherrschte Öffnung 10 hindurch bis in den Auslaßkanal 11 gelangen kann.
In der ersten Ausführungsform aus 1a tritt der Kraftstoffstrahl K ohne Bendwinkel aus der im Randbereich des Brennraums 1 positionierten und fast senkrecht zur Achse des Zylinders 2 angeordneten Einspritzdüse 5 aus. Der Kraftstoffstrahl K trifft teilweise auf die Unterseite des Tellers 13 des Auslaßventils 7 auf und gelangt teilweise oberhalb des Tellers 13 durch die Öffnung 10 hindurch in den Auslaßkanal 11. Im Auslaßkanal 11 findet dann die eigentliche Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffs statt. Bei dieser ersten Ausführungsform ist die Mittelachse M des Kraftstoffstrahls K unter einem Winkel β von ca. 120 Grad zur Achse A des Auslaßventils 7 angeordnet.
Und in der zweiten Ausführungsform aus 2a tritt der Kraftstoffstrahl K ebenfalls ohne Bendwinkel aus der im Mittenbereich des Brennraums 1 unter einem spitzen Winkel zur Achse des Zylinders 2 angeordneten Einspritzdüse 5 aus. Ein wesentlicher Teil des Kraftstoffstrahls K trifft auf die Rückseite des möglichst eben ausgebildeten Tellers 13 des Auslaßventils 7. Dadurch wird der Kraftstoffstrahl K definiert reflektiert, so daß er auch bei dieser zweiten Ausführungsform durch die Öffnung 10 hindurch bis in den Auslaßkanal 11 gelangt. Dabei ist die Mittelachse M des Kraftstoffstrahls K unter einem Winkel β von ca. 45 Grad zur Achse A des Auslaßventils 7 angeordnet, so daß der am Teller 13 des Auslaßventils 7 reflektierte Kraftstoffstrahl K sich unter einem gleich großen Winkel von ca. 45 Grad zur Achse A des Auslaßventils 7 fortsetzt.
Damit das Auslaßventil 7 den hohen thermischen Beanspruchungen standhält und zudem die Verbrennungsreaktion des nacheingespritzten Kraftstoffs und des im Brennraum befindlichen Restgases begünstigt, ist die Rückseite des Tellers 13 mit einer katalytischen Beschichtung 14 versehen.
Damit der nacheingespritzte Kraftstoffstrahl K in beiden Ausführungsformen auch gegen Ende des Auslaßtaktes von dem sich nach oben bewegenden Kolben 4 weitgehend unbeeinträchtigt bleibt, ist in beiden Fällen an der Stirnseite des Kobens 4 jeweils eine Kraftstoffrinne 15 vorgesehen, welche insbesondere im Bereich des Auslaßventils 7 auf den sich mit einem Kegelwinkel α von ca. 60 Grad im Anfangsbereich aufweitenden Kraftstoffstrahl K abgestimmt ist. Diese Kraftstoffrinne 15 kann in eine Rampe 16 münden, welche eine Umlenkung des eingespritzten Kraftstoffstrahls K in Richtung auf den Auslaßkanal 11 bedingt.
Je nach Anordnung der Einspritzdüse 5, die von dem im Zylinderkopf 3 der Brennkraftmaschine verfügbaren Bauraum sowie von der Geometrie des Brennraums 1 abhängt, kann es erforderlich sein, die Mittelachse M des Kraftstoffstrahls K gegenüber der Achse der Einspritzdüse 5 um einen gewissen Bendwinkel umzulenken, damit der nacheingespritzte Kraftstoffstrahl K bei geöffnetem Auslaßventil 7 in jedem Fall bis in den Auslaßkanal 11 gelangt.
Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch auf direkteinspritzende Brennkraftmaschinen mit mehreren Auslaßventilen 7 pro Zylinder 2 angewendet werden, wobei die eine Einspritzdüse 5 eben auf nur eines oder mehrere der Auslaßventile 7 gerichtet ist oder wobei dann auch gleich mehrere Einspritzdüsen 5 vorgesehen sind, die jeweils einem der Auslaßventile 7 direkt zugeordnet sein können.

Claims

Direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die zur Erhöhung des Abgasmassenstroms mittels der Einspritzdüse (5) eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (1) durchführt, wobei die Nacheinspritzung des Kraftstoffs während des Auslaßtaktes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der nacheingespritzte Kraftstoffstrahl (K) auf wenigstens ein geöffnetes Auslaßventil (7) gerichtet ist, so daß der Kraftstoffstrahl (K) im wesentlichen bis in den Auslaßkanal (11) gelangt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl (K) durch eine definierte Reflexion an der Rückseite des Tellers (13) des Auslaßventils (7) in den Auslaßkanal (11) gelangt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Tellers (13) des Auslaßventils (7) eine katalytische Beschichtung (14) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in Richtung auf das Auslaßventil (7) nacheingespritzte Kraftstoffstrahl (K) mittels einer im Brennraum (1) angeordneten Zündkerze fremdgezündet wird.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im wesentlichen dezentral angeordneten Einspritzdüse (5) der Winkel (β) zwischen der Mittelachse (M) des eingespritzten Kraftstoffstrahls (K) und der Achse (A) des Auslaßventils (7) ca. 0 bis 180 Grad beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im wesentlichen zentral angeordneten Einspritzdüse (5) der Winkel (β) zwischen der Mittelachse (M) des eingespritzten Kraftstoffstahls (K) und der Achse (A) des Auslaßventils (7) ca. 60 bis 120 Grad beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl (K) sich mit einem Kegelwinkel (α) von bis zu ca. 75 Grad aufweitet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl (K) unter einem Bendwinkel von bis zu ca. 60 Grad aus der Einspritzdüse (5) austritt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleiche Anzahl von Einspritzdüsen (5) wie Auslaßventile (7) vorgesehen sind, die einander jeweils paarweise zugeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den nacheingespritzten Kraftstoffstrahl (K) eine Kraftstoffrinne (15) im Kolben (4) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffrinne (15) so ausgeführt ist, daß sie in eine Rampe (16) mündet, welche den nacheingespritzten Kraftstoffstrahl (K) auf den Auslaßkanal (11) hin umleitet.