DE19860183A1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung pro Zylinder - Google Patents
Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung pro ZylinderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung pro
Zylinder zur direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum, wobei die Mündung der
Einspritzvorrichtung in einer durch den Zylinderkopf gebildeten Brennraumdeckfläche ange
ordnet ist.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Fremdzündung, können
Ablagerungen und Verkokungen im Düsenmündungsbereich die Strahlcharakteristik erheblich
verändern. Das kann verhindert werden, wenn die Temperatur an der Injektormündung durch
thermische Anbindung der Einspritzvorrichtung an den Zylinderkopf unterhalb der Verko
kungstemperatur gehalten wird. Dabei wird der vordere Teil der Einspritzvorrichtung mecha
nisch mit dem Zylinderkopf gekoppelt, um eine gute Wärmeableitung vom Injektor in den
Zylinderkopf zu erreichen. Dies hat allerdings den Nachteil, daß es zu zusätzlicher Span
nungseinleitung in den Zylinderkopf kommt.
Eine andere Möglichkeit, die Verkokungsbildung im Düsenmündungsbereich zu vermeiden
ist, die Temperatur an der Mündung der Einspritzvorrichtung oberhalb der sogenannten
"Freibrenntemperatur" zu bringen, sodaß Ablagerungen abgebrannt werden können. Wegen
dem großen thermischen Arbeitsbereich einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge und der häu
fig im vorderen Bereich der Einspritzvorrichtung erfolgenden Kraftstoffzumessung kann diese
Maßnahme nicht bei allen Einspritzsystemen durchgeführt werden.
Weiters kann die Verkokungsbildung dadurch verringert werden, daß die Düsenmündung in
den Bereich einer Quetschfläche verlegt wird, um die Strömungsgeschwindigkeiten im Be
reich der Mündung zu erhöhen. Die Wirkung dieser Maßnahme ist allerdings auf einen engen
Bereich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beschränkt. Nach dem oberen Tot
punkt hingegen wird die Flamme und der unverbrannte Kraftstoff in den Bereich der Mün
dung der Einspritzvorrichtung zurückgesaugt. Dadurch kommt es zur Temperaturerhöhung
und zu verstärkter Ablagerungsbildung im Bereich der Mündung. Daneben wird die Verbren
nung verschlechtert und der Kraftstoffverbrauch und die CH-Emissionen erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und die Bildung von Ablagerun
gen und Verkokungen im Bereich der Mündung der Einspritzvorrichtung in den Brennraum
zu vermindern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Bereich um die Mündung der Einspritz
vorrichtung als Strömungsleitfläche für eine Drall- oder eine Tumbleströmung ausgebildet ist.
Dadurch, daß der Bereich um die Mündung der Einspritzvorrichtung als Strömungsleitfläche
ausgebildet ist, wird die Grundströmung im Zylinder derart geführt, daß der zuletzt die Ein
spritzvorrichtung verlassende Kraftstoff sehr rasch von der Einspritzvorrichtung weg zum
Zündort transportiert wird. Die Strömungsleitflächen unterstützen dabei die Drall- oder Tum
bleströmung. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Mündung wird
der Kraftstoff von der Mündung weg und zum Zündort transportiert und es entstehen weniger
Ablagerungen. Zusätzlich wird die Schichtungsbildung im Brennraum speziell gegen das Ein
spritzende hin verbessert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Strömungsleitfläche durch die Brennraumdeckfläche
und/oder die Oberfläche eines Kolbens gebildet ist. Die Strömung kann dadurch gezielt in
Richtung des Zündortes, beispielsweise in die Brennraummitte, gelenkt werden. Zusätzlich
entsteht ein Kühlungseffekt durch die Grundströmung.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Strömungsleitfläche zu
mindest zum Teil durch eine Ausnehmung gebildet ist. Genauso kann vorgesehen sein, daß
die Strömungsleitfläche zumindest zum Teil durch eine Leitrippe gebildet ist. Die solcherart
gebildeten Strömungsleitflächen sind einfach zu fertigen und haben keine nachteiligen Aus
wirkungen auf den inhomogenen Verbrennungsvorgang.
Die Strömungsgeschwindigkeiten werden in ausreichendem Maße erhöht, wenn die maximale
Ausdehnung der Strömungsleitfläche - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse - et
wa ein Viertel bis die Hälfte des Zylinderdurchmessers, vorzugsweise etwa ein Drittel des
Zylinderdurchmessers beträgt. Dabei ist es günstig, wenn der größte Abstand der Strömungs
leitfläche von der Zylinderkopfebene im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeck
fläche liegt und mindestens dem Abstand des kolbenfernsten Punktes der Mündung von dem
Zylinderkopfebene entspricht.
Eine weitere Maßnahme, die Gefahr der Verkokung zu verringern besteht darin, daß die
Strömungsleitfläche konkav geformt ist und vorzugsweise ihre größte Krümmung in einem
Austrittsbereich der Strömung und/oder im Bereich der Mündung der Einspritzvorrichtung
liegt.
Die Strömungsleitfläche kann - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse betrachtet -
entweder eine asymmetrische oder eine symmetrische Form aufweisen. Die asymmetrische
Form eignet sich besonders zur Unterstützung einer Drallströmung. Bei Tumblebewegungen
wird bevorzugt eine symmetrische Form der Strömungsleitfläche verwendet.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckflä
chen angewandt werden. Sie eignet sich prinzipiell aber auch für jede andere Brennraumform
und jede Anzahl von Gaswechselventilen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Querschnitt in ei
ner Ausführungsvariante,
Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Mündungsbereich der Einspritzvorrichtung gemäß der
Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 3a einen Schnitt analog zu Fig. 3 mit symmetrisch ausgebildeter Strömungsleitflä
che,
Fig. 4 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit vier
Ventilen pro Zylinder,
Fig. 5 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit drei
Ventilen pro Zylinder,
Fig. 6 eine Schrägansicht auf die Brennraumdeckfläche eines Zylinderkopfes mit zwei
Ventilen pro Zylinder,
Fig. 7 eine Schrägansicht auf die Oberfläche eines Kolbens gemäß einer anderen Aus
führung der Erfindung,
Fig. 8 den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer weiteren
Ausführungsvariante,
Fig. 9 eine Schrägansicht eines Kolbens der in Fig. 8 gezeigten Brennkraftmaschine und
Fig. 10 einen Querschnitt eines Kolbens in einer gegenüber der Fig. 9 modifizierten Aus
führungsvariante.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine, in welchem ein hin- und hergehender
Kolben 2 angeordnet ist. Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 und die dachförmig ausgebildete,
durch den Zylinderkopf 4 gebildete Brennraumdeckfläche 5 begrenzen einen Brennraum 6, in
welchen eine Einspritzvorrichtung 7 einmündet, deren Mündung 8 seitlich in der Brennraum
deckfläche 5 angeordnet ist. In den Brennraum 6 münden weiters Gaswechselkanäle 9 und 10
für die Luftzufuhr und die Abgasabfuhr. Mit 9a und 10a sind die entsprechenden Ventile für
die Einlaß- und Auslaßströmung bezeichnet.
Im Bereich der Mündung 8 der Einspritzvorrichtung 7 sind Strömungsleitflächen 11 zur Un
terstützung einer mit den Pfeilen 12 angedeuteten Drallströmung vorgesehen, wie aus den
Fig. 2 bis 4 hervorgeht. Unter einer Drallströmung ist eine Strömung um die Zylinderachse 1a
zu verstehen. Die Strömungsleitflächen 11 werden zumindest zum Teil durch Ausnehmungen
in der Brennraumdeckfläche 5 gebildet. Die in den Fig. 3 bis 6 eingezeichneten Strömungs
leitflächen 11 haben eine besonders zur Unterstützung einer Drallströmung geeignete asym
metrische Form und sind im wesentlichen zur in der Nähe der Zylinderachse 1a vorgeshenen
Zündquelle 13 gerichtet. Zur Unterstützung einer Tumbleströmung ist es günstig, wenn die
Strömungsleitfläche eine symmetrische Form aufweist, wie Fig. 3a zeigt. Unter einer Tum
bleströmung ist dabei eine Wirbelströmung um eine zur Zylinderachse Ia normale Achse zu
verstehen. Wie aus den Fig. 4, 5 und 6 ersichtlich ist, kann die Strömungsleitfläche 11 für
beliebige Anzahl von Gaswechselkanälen 9 und 10 verwirklicht werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der die Strömungsleitflächen 11a durch
Ausnehmungen in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 gebildet sind. Die Strömungsleitflächen
11a sind - analog zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante - zur Zündquelle 13 gerich
tet.
In den Fig. 1 bis 7 sind die Strömungsleitflächen 11 so ausgebildet, daß Drallströmungen un
terstützt werden. Die Strömungsleitflächen 11 sind dabei konkav zwischen einem Eintrittsbe
reich 11' und einem Austrittsbereich 11'' geformt, wobei vorzugsweise die größte Krümmung
im Bereich der Mündung 8 oder im Austrittsbereich 11 vorliegt. In einem Querschnitt parallel
zur Zylinderkopfebene 4a durch den Bereich der Mündung 8 kann die Strömungsleitfläche 11
einen stetig gekrummten, parabelartigen Verlauf aufweisen, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die
maximale Ausdehnung B der Strömungsleitfläche 11, 11a beträgt - in Richtung der Zylinder
achse 1a betrachtet - etwa ein Viertel bis die Hälfte, vorzugsweise etwa ein Drittel des Zylin
derdurchmessers D. Die von der Zylinderkopfebene 4a entfernteste Stelle S der Strömungs
leitfläche 11, 11a befindet sich im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeckfläche
5. Der entsprechende Abstand ist mit H bezeichnet und entspricht mindestens der maximalen
Entfernung H1 im mit P bezeichneten Bereich der Mündung 8 der Einspritzvorrichtung 7 von
der Zylinderkopfebene 4a.
Der maximale Abstand T zur umgebenden Brennraumdeckfläche 5 beträgt zwischen 0,1 und
1, vorzugsweise etwa 0,5 mal dem Durchmesser M der Einspritzbohrung 7a.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Ausführungsvarianten mit Tumbleströmungen unterstützende Strö
mungsleitflächen 11, 11a. In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsvariante weist dabei die
Brennraumdeckfläche 5 durch Ausnehmungen gebildete Strömungsleitflächen 11 auf, welche
ein Aufrichten der Tumbleströmung 12 unterstützen und in Richtung der Zündquelle 13 len
ken. Die Strömungsleitfläche 11 kann dabei - wie in Fig. 3a gezeigt ist - symmetrisch zu einer
Motorquerebene angeordnet sein. Zusätzlich sind in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsvari
ante auch Strömungsleitflächen 11a in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 vorgesehen. Diese
weiden beispielsweise durch eine geeignete Formgebung der Kolbenmulde 3a gebildet, wel
che über die Strömungsleitfläche 11a im Bereich des Einspritzortes zum Kolbenrand 2a hin
ausläuft, wie in Fig. 9 ersichtlich ist.
Zusätzlich oder anstelle dazu kann im Austrittsbereich 11'' der Strömungsleitfläche 11a eine
Leitrippe 11b am Kolben 2 vorgesehen sein, um die Strömung 12 zu unterstützen, wie aus
Fig. 10 hervorgeht.
Durch die gezielte Strömungsführung mittels der Strömungsleitflächen 11, 11a im Bereich der
Mündung 8 der Einspritzvorrichtung 7 werden insbesondere am Einspritzende Kraftstoffreste
von der Mündung 8 weggeblasen und zur Zündquelle 13 bewegt. Dadurch können Ablage
rungen und Verkokungen im Bereich der Mündung 8 wirksam vermindert werden. Die Strö
mungsleitflächen 11, 11a verbessern zudem die Ladungsschichtung, insbesondere gegen Ein
spritzende hin. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Strömungsleitflächen 11, 11a so
wohl in der Brennraumdeckfläche 5, als auch in der Oberfläche 3 des Kolbens 2 vorgesehen
sind.
Claims (10)
1. Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzvorrichtung (7) pro Zylinder (1) zur
direkten Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum (6), wobei die Mündung (8) der Ein
spritzvorrichtung (7) in einer durch den Zylinderkopf (4) gebildeten Brennraumdeckflä
che (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich um die Mündung (8)
der Einspritzvorrichtung (7) als Strömungsleitfläche (11, 11a) für eine Drall- oder eine
Tumbleströmung ausgebildet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleit
fläche (11, 11a) durch die Brennraumdeckfläche (5) und/oder die Oberfläche (3) eines
Kolbens (2) gebildet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strö
mungsleitfläche (11, 11a) zumindest zum Teil durch eine Ausnehmung gebildet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsleitfläche (11, 11a) zumindest zum Teil durch eine Leitrippe gebildet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die maximale Ausdehnung (B) der Strömungsleitfläche (11, 11a) - in einer Schnittan
sicht normal zur Zylinderachse (1a) - etwa ein Viertel bis die Hälfte des Zylinderdurch
messers (D), vorzugsweise etwa ein Drittel des Zylinderdurchmessers (D) beträgt.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der größte Abstand (H) der Strömungsleitfläche (11, 11a) von der Zylinderkopfebene
(4a) im Bereich der Verschneidung mit der Brennraumdeckfläche (5) liegt und minde
stens dem Abstand (H1) des kolbenfernsten Punktes (P) der Mündung (8) von der Zylin
derkopfebene (4a) entspricht.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsleitfläche (11) zur umgebenden Brennraumdeckfläche (5) einen maxima
len Abstand (T) zwischen etwa 0,1 und 1, vorzugsweise etwa 0,5 mal dem Durchmesser
(M) der Einspritzbohrung (7a) beträgt.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsleitfläche (11, 11a) konkav geformt ist und vorzugsweise ihre größte
Krümmung in einem Austrittsbereich (11'') der Strömung (12) und/oder im Bereich der
Mündung (8) der Einspritzvorrichtung (7) liegt.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsleitfläche (11, 11a) - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse (1a) -
eine asymmetrische Form aufweist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsleitfläche (11, 11a) - in einer Schnittansicht normal zur Zylinderachse (1a) -
eine symmetrische Form aufweist.
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