DE19911023C2 - Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Gattung.

Bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen ist ein Brennraum in jedem Zylinder von einem längsbeweglichen Kol­ ben und der Innenwand eines Zylinderkopfes begrenzt, wobei ein Injektor Kraftstoff zur inneren Gemischbildung mit se­ parat zugeführter Verbrennungsluft in den Brennraum ein­ spritzt. Die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches muß innerhalb des zündfähigen Fensters liegen, um mittels eines Zündfunkens zündbar zu sein, welcher zwischen den Elektroden einer Zündkerze auslösbar ist.

Aus der DE 195 46 945 A1 ist eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine bekannt, deren Injektoren mit ihren Ein­ spritzdüsen den Kraftstoff kegelförmig in den Brennraum einspritzen, wobei die Zündkerze derart angeordnet ist, daß ihre Elektroden außerhalb der Mantelfläche des von der Ein­ spritzdüse erzeugten Kraftstoffkegels liegen. Auf diese Weise wird eine Benetzung der Elektroden mit Kraftstoff beim Einspritzvorgang vermieden und der Rußablagerung auf den Elektroden aufgrund unvollständig verbrannten Kraft­ stoffes entgegengewirkt. Die Elektroden sind über einen langen Betriebszeitraum von Verkokungen frei, wodurch ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Brennkraftmaschine ohne Zünd­ aussetzer gewährleistet sein soll. Um zündfähiges Gemisch zwischen die außerhalb des Kraftstoffkegels angeordneten Elektroden zu bringen, ist die Zündkerze derart angeordnet, daß die Masseelektrode mit einem geringen Abstand zur Man­ telfläche des Kraftstoffkegels liegt und die Innenwand des Zylinderkopfes parallel zur Mantelfläche des Kraftstoffke­ gels verläuft unter Ausbildung eines Zwischenraumes zumin­ dest an derjenigen Stelle, an der die Elektroden der Zünd­ kerze angeordnet sind.

In dem Zwischenraum soll sich eine Wirbelströmung ergeben, welche aus Kraftstoff/Luft-Gemisch besteht und in den Be­ reich der Elektroden reicht. Um die Wirbelströmung zu ge­ nerieren, ist eine besondere Formgebung der Innenwand und eine injektornahe Anordnung der Zündkerze erforderlich. Der Injektor ist in einer Einsenkung der Innenwand angeordnet, also vom freien Brennraumvolumen zurückgesetzt, wodurch der Gemischwirbel in dem der Einspritzdüse benachbarten Bereich entstehen und in dem Hohlraum zirkulieren soll, welcher zwischen der Mantelfläche des Kraftstoffkegels und der Innenwand des Zylinderkopfes im Bereich der Einspritzdüse gebildet ist. Des weiteren soll durch den Luftspalt zwi­ schen dem Kraftstoffkegel und der parallelen, ebenso ke­ gelförmigen Innenwand des Zylinderkopfes Luft zurückströ­ men, die von dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff verdrängt wurde. Während der Rückströmung zur Zündkerze entlang der Innenwand sollen weitere Kraftstoffteilchen aus dem Kraftstoffkegel mitgerissen werden. Die Wirbelströmung ist im injektornahen Bereich genügend stark ausgebildet, um zündfähiges Gemisch zwischen die Elektroden einer Zündkerze zu bringen. Die Zündkerze muß demnach nahe dem Injektor an­ geordnet sein.

Bei der bekannten direkteinspritzenden Otto-Brennkraftma­ schine muß die Brennraumbegrenzung insbesondere durch die Innenwand des Zylinderkopfes mit hohem Aufwand präzise ge­ staltet werden, um die gewünschten strömungstechnischen Ef­ fekte zur Bildung der zündfähigen Gemischwirbel zu errei­ chen. Die bekannte Brennraumkonfiguration mit der zur Ge­ mischwirbelbildung erforderlichen Brennraumform und der zwangsläufig injektornah angeordneten Zündkerze kann oft­ mals einen optimalen Verbrennungsvorgang nicht erreichen und das gewünschte Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine gewährleisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine der gattungsge­ mäßen Art derart auszubilden, daß die Brennkraftmaschine mit optimalem Betriebsverhalten arbeitet.

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

Bei der erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration wird der Kraftstoffkegel in einem von der Brennraumbegrenzung nahezu unbeeinflußten Freistrahl eingespritzt, d. h. der Kraft­ stoffkegel wird in einem derartig großen Abstand, insbeson­ dere von der Innenwand des Zylinderkopfes eingespritzt, daß sich der kegelförmige Kraftstoffstrahl weitgehend ohne strömungsmechanische Wandeffekte der Brennraumbegrenzung im freien Brennraumvolumen ausbreitet. Dabei bilden sich bei der Einspritzung aus der Mantelfläche des Kegels hervortre­ tende Kraftstoffwirbel, welche zunächst hauptsächlich aus Kraftstoffdampf bestehen und sich mit der umliegenden Ver­ brennungsluft im Brennraum vermischen. Die Kraftstoffwirbel bilden sich besonders deutlich aus, wenn der Öffnungswinkel des Kraftstoffkegels zwischen 70° und 100° beträgt und werden durch eine Luftströmung erzeugt, welche im Bereich der Mantelfläche des Kraftstoffkegels aufgrund vom Kraftstoff­ strahl mitgerissener Luft entsteht, wobei in entgegenge­ setzter Richtung durch den entstehenden Unterdruck eben­ falls eine Luftströmung erzeugt wird. Die Zündkerze wird erfindungsgemäß derart positioniert, daß die Elektroden in den Kraftstoffwirbel des Freistrahls einragen. Vorzugsweise ist die Funkenlage der Elektroden 1 mm bis 15 mm von der Mantelfläche des Kraftstoffkegels entfernt.

Der Kraftstoffwirbel, welcher zündfähiges Gemisch zwischen die Elektroden bringt, bildet sich an der Mantelfläche des Freistrahls ohne wirksamen Einfluß von der Brennraumbegren­ zung aus, so daß die Brennraumform frei gestaltbar ist. Es liegt ein sogenanntes strahlgeführtes Brennverfahren vor, bei dem Wandeffekte der Innenwand des Zylinderkopfes oder etwa einer Kolbenmulde kaum Einfluß auf die Gemischbildung und die Zündung ausüben. Insbesondere im Schichtladungsbe­ trieb der Brennkraftmaschine, wenn mit Kraftstoffeinsprit­ zung während des Kompressionshubes gearbeitet wird und bei luftgefülltem Brennraum eine zentrale Kraftstoffwolke ge­ bildet wird, kann so mit einer einfachen Brennraumgestal­ tung ein optimales Durchbrennen der Brennraumladung er­ reicht werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gemischbildung ist darin zu sehen, daß die Zündkerze weiter als bisher vom Injektor entfernt angeordnet sein kann. Der Kraftstoffwirbel liegt lange stabil an derselben Stelle im Brennraum, wodurch die Zündung in einem weiten Zeitinter­ vall unabhängig vom Einspritzpunkt erfolgen kann.

Der Kraftstoff-Freistrahl wird vorzugsweise hohlkegelförmig in den Brennraum eingespritzt. Hierdurch bilden sich die Kraftstoffwirbel in einer besonders zum Gemischtransport zur Zündkerze geeigneten Form aus, insbesondere bei einer Einspritzung bei hohem Zylinderdruck in der Kompressi­ onsphase während des Schichtladungsbetriebes. Besonders einfach ist der Kraftstoffkegel mit Hohlkegelform ausbild­ bar, wenn der Injektor eine nach außen öffnende Einspritz­ düse aufweist.

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

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine 1, in deren Zylinder 2 ein Kolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und mit der Innenwand 15 ei­ nes auf den Zylinder 2 aufgesetzten Zylinderkopfes 5 einen Brennraum 4 begrenzt. Im Zylinderkopf 5 ist ein Kraftstoff­ injektor 6 angeordnet, welcher zentral auf der Zylindermit­ telachse 14 liegend Kraftstoff auf den Kolben 3 gerichtet direkt in den Brennraum 4 einspritzt. Die zur inneren Ge­ mischbildung erforderliche Verbrennungsluft wird durch ei­ nen Einlaßkanal 13 dem Brennraum 4 zugeführt. Im Zylinder­ kopf 5 ist weiter eine Zündkerze 7 angeordnet, deren Elek­ troden 12 in den Brennraum 4 einragen, wobei zum Zündzeit­ punkt ein Zündfunke zwischen den Elektroden 12 ausgelöst wird, welcher beim überspringen zündfähiges Gemisch im Brennraum 4 durchschlägt.

Der Injektor 6 weist eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 auf, welche einen sich zum Kolben erweiternden, hohlke­ gelförmigen Kraftstoffstrahl erzeugt. Die Elektroden 12 der Zündkerze 7 liegen außerhalb der Mantelfläche 9 des von der Einspritzdüse 11 erzeugten Kraftstoffkegels 8 und werden so beim Einspritzvorgang nicht mit Kraftstoff benetzt.

Der Injektor wird piezoelektrisch betätigt, wobei die Ein­ spritzdüse 11 von einem Piezoelement schnell und präzise einstellbar freigegeben und geschlossen wird. Durch die entsprechende Wahl der Einspritzzeit und deren präzise Ein­ haltung während des Arbeitsspiels mittels der piezoelektri­ schen Betätigung des Injektors wird die Ausbildung der ge­ wünschten Freistrahlform des Kraftstoffkegels gefördert.

Die Brennkraftmaschine arbeitet in weiten Kennfeldbereichen im Schichtladungsbetrieb, wobei der Kraftstoff während des Kompressionstaktes des Zylinders 2 eingespritzt wird. Auf­ grund der späten Kraftstoffeinspritzung während des Ar­ beitsspiels entsteht eine geschichtete Brennraumladung mit örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentrationen, wobei sich außerhalb des Kraftstoffkegels 8 sehr mageres Gemisch bildet bzw. reine Luft befindet.

Um zündfähiges Gemisch zwischen die Elektroden 12 der Zünd­ kerze 7 zu bringen, weist die Brennkraftmaschine eine der­ artige Brennraumkonfiguration auf, daß der Kraftstoffkegel 8 in einem von der Brennraumbegrenzung durch die Zylinder­ kopf-Innenwand 15 weitgehend unbeeinflußten Freistrahl ein­ gespritzt wird. Die Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegels 8 kann weit von der Innenwand 15 entfernt liegen, wobei sich an dem vom Wandeinfluß der Brennraumbegrenzung entkoppelten Freistrahl Kraftstoffwirbel 10 bilden, welche aus der Man­ telfläche 9 herausragen. Der Öffnungswinkel α des Kraft­ stoffkegels 8 beträgt zwischen 70° und 100% wobei sich die Kraftstoffwirbel 10 am Kegelrand besonders ausgeprägt erge­ ben.

Die Kraftstoffwirbel 10 entstehen aufgrund einer Luftströ­ mung im Bereich der Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegels durch vom Kraftstoffstrahl mitgerissene Luft, wobei dieser Strömung entgegengesetzt durch den entstehenden Unterdruck ebenfalls eine Luftströmung erzeugt wird. Die Kraftstoffwirbel 10 transportieren Kraftstoff in weit außerhalb des Kraftstoffkegels 8 liegende Brennraumbereiche und vermi­ schen sich dort mit der Verbrennungsluft.

Die Zündkerze ist derart angeordnet, daß die Elektroden 12 in den Gemischwirbel 10 einragen. Auch im außerhalb des Kraftstoffkegels 8 liegenden Brennraumbereich, in dem sich die Elektroden 12 vor direkter Kraftstoffbenetzung ge­ schützt befinden, kann so mit den bei Freistrahleinsprit­ zung vorliegenden Kraftstoffwirbeln 10 zündfähiges Gemisch an der Zündkerze 7 bereitgestellt werden.

Die Kraftstoffwirbel 10 bilden sich nahezu unabhängig von der Brennraumform aus und die Innenwand 15 des Zylinderkop­ fes 5 kann daher beliebig gestaltet werden. Der Einspritz­ freistrahl ist hohlkegelförmig, wodurch ein hoher Anteil der gesamten Kraftstoff-Einspritzmenge in der Mantelfläche 9 des Kegelstrahls 8 geführt wird und so von den Kraft­ stoffwirbeln 10 erfaßbar ist. Der Zündzeitpunkt kann in ei­ nem weiten Bereich im wesentlichen unabhängig vom Ein­ spritzzeitpunkt variiert und bedarfsweise eingestellt wer­ den, da die Kraftstoffwirbel über einen längeren Zeitraum stabil im Brennraum ausgeprägt werden und etwa 50 KW nach dem Einspritzende noch Kraftstoff an der Zündkerze 7 vor­ liegt.

Aufgrund der Stabilität der Kraftstoffwirbel 10 und des zur Zündung bereitstehenden langen Zeitraumes kann die Zündke­ rze 7 relativ weit vom Injektor 6 entfernt im Zylinderkopf angeordnet werden, wodurch sich die Brennraumkonfiguration und die konstruktive Gestaltung des Zylinderkopfes 5 we­ sentlich vereinfacht. Der Abstand der Funkenlage entspre­ chend der Anordnung der Elektroden 12 zur Einspritzdüse kann zwischen 7 mm und 30 mm betragen. Die Funkenlage ist dabei zwischen 1 mm bis 15 mm von der Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegels 8 entfernt. Die Distanz der Elektroden 12 zum Kraftstoffkegel 8 wird entsprechend dem gewünschten Be­ triebsverhalten im jeweiligen Einsatzfall der direktein­ spritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1 gewählt.

Claims (8)

1. Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit einem Brennraum (4), der in jedem Zylinder (2) von einem längsbeweglichen Kolben (3) und der Innenwand (15) eines Zylinderkopfes (5) begrenzt ist, mit einem Injektor (6), dessen Einspritzdüse (11) Kraftstoff kegelförmig in den Brennraum (4) einspritzt zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches mit se­ parat zugeführter Verbrennungsluft, wobei das Gemisch von einer Zündkerze (7) zu zünden ist, deren Elektroden (12) außerhalb der Mantel­ fläche (9) des von der Einspritzdüse (11) erzeugten Kraftstoffkegels (8) legen, gekennzeichnet durch eine derartige Brennraumkonfiguration, daß der Kraftstoff in Form eines kegelförmigen von der Brennraumbegrenzung na­ hezu unbeeinflußten Freistrahls eingespritzt wird und die Elektroden (12) der Zündkerze (7) in einen bei der Einspritzung aus der Mantelfläche (9) hervortretenden Kraftstoffwirbel (10) einragen.

2. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α) des Kraftstoffkegels (8) zwischen 70° und 100° beträgt.

3. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzfreistrahl hohlkegelförmig ist.

4. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenlage der Elek­ troden (12) 1 mm bis 15 mm von der Mantelfläche (9) des Kraftstoffkegels (8) entfernt ist.

5. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (6) eine nach außen öffnende Einspritzdüse (11) aufweist.

6. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenlage der Elek­ troden (12) 7 bis 30 mm von der Einspritzdüse (11) entfernt ist.

7. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (6) piezo­ elektrisch betätigt wird.

8. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) in weiten Kennfeldbereichen mit Ladungsschichtung und Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionstaktes betrieben wird.