DE19919642A1 - Vorrichtung zum Zünden von Kraftstoff beim schichtbetriebenen Ottomotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ottomotor mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff 10 in eine Verbrennungsraum 1 mittels einer in einem Zylinderkopf 3 vorgesehenen Einspritzdüse 2, der eine in einem Winkel alpha angeordnete Zündkerze 5 zugeordnet ist, wobei im Schichtbetrieb neben der ersten Zündkerze 5 mindestens eine weitere Zündkerze 28, gneigt zu einer Zylindermittelachse 24 verlaufend, zwischen zwei Auslaßventilen 7, 7' angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ottomotor mit einer Vor­ richtung zum Einbringen von Kraftstoff in einen Verbrennungs­ raum mittels einer in einem Zylinderkopf vorgesehenen Ein­ spritzdüse, der eine in einem Winkel α angeordnete Zündkerze zugeordnet ist.

Bei direkteinspritzenden Ottomotoren wird zwischen zwei Brenn­ verfahren unterschieden, und zwar zwischen dem wandgeführten und dem strahlgeführten Brennverfahren.

Das wandgeführte Brennverfahren sieht vor, daß der Kraftstoff während des Einspritzvorgangs die Zylinderwand oder den Kolben­ boden benetzt und von dort über die Ladungsbewegung bzw. den Tumble des Kraftstoff-Luft-Gemischs wieder abgedampft wird.

Nach dem stahlgeführten Brennverfahren trifft der Kraft­ stoffstrahl während des Einspritzvorgangs auf die Zündkerze und wird dann gezündet.

Es ist bereits ein Ottomotor der eingangs aufgeführtes Art be­ kannt (DE 196 42 653 C1), der eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs über eine Einspritzdüse realisiert und über eine Zündkerze gezündet wird. Dieser direkteinspritzende Ottomotor arbeitet nach dem wandgeführten Brennverfahren. Hierbei trifft der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoff in ei­ nem annähernd rechten Winkel auf den Kolbenboden. Die Verdamp­ fung des Kraftstoffs wird durch die Wärmezufuhr vom Kolben un­ terstützt, erfolgt meist aber nicht schnell genug und hat eine unnötig hohe Ruß-, CO- und HC-Emission zur Folge. Die Zündein­ richtung beinhaltet nur eine Zündkerze, die durch das direkte Auftreffen des Kraftstoffs stark verrußt.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, die Kraftstoff- Luft-Wolke optimal zu zünden, um damit eine möglichst schnelle, vollständige und CO-, Ruß- und HC-arme Verbrennung zu erzielen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß im Schichtbetrieb neben der ersten Zündkerze mindestens eine wei­ tere Zündkerze, geneigt zu einer Zylindermittelachse verlau­ fend, zwischen zwei Auslaßventilen angeordnet ist.

Hierdurch wird erreicht, daß unabhängig von der Ladungsbewegung im Schichtbetrieb das Kraftstoff-Luft-Gemisch an zwei verschie­ denen Punkten gezündet werden kann, was dazu führt, daß der Verbrennungswirkungsgrad verbessert und die Emission von Ruß, HC und CO vermindert wird.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die zweite Zündkerze, mit Bezug auf die Einspritzrichtung der Einspritzdüse gesehen, hinter der ersten Zündkerze angeordnet ist. Somit kann die Kraftstoffwolke entweder schon in der Mitte des Zylinders oder aber auch im Be­ reich der hinteren Zylinderwand gezündet werden.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Einspritzdüse mit Bezug auf die Zylinderkopfunterseite derart geneigt verlaufend ange­ ordnet ist, daß eine erzeugte Kraftstoffwolke eine Zylinderwand und/oder einen Kolbenboden im wesentlichen nicht benetzt. Die Kraftstoffwolke bleibt somit bestehen und kann ohne Rücksicht auf eventuelle Verdampfungszeiten jederzeit gezündet werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß der aus der Einspritzdüse in den Verbrennungsraum eintretende Kraftstoffstrahl mit seiner Umhüllungsfläche einen Abstand zu den Zündkerzen zwischen 1 mm und 7 mm aufweist. Die Zündkerzen werden somit nicht benetzt, und ein Verrußen kann verhindert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß die Einspritzdüse als luftunterstützte Einspritzdüse ausgebildet ist.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß die luftunterstützte Einspritzdüse zwischen zwei Einlaßventilen angeordnet ist und eine Mittelachse dieser Einspritzdüse zur Zylinderkopfunterseite einen Winkel β zwischen 10° und 50° oder 20° und 45° aufweist.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anord­ nung ist es von Vorteil, daß die Einspritzdüse als Hochdruckdü­ se ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die als Hochdruckdüse ausgebil­ dete Einspritzdüse zwischen beiden Einlaßventilen angeordnet ist und die Mittelachse dieser Einspritzdüse zur Zylinderkop­ funterseite einen Winkel β zwischen 25° und 80° oder 35° und 75° aufweist.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß der Einspritzdruck der Ein­ spritzdüse derart beliebig steuerbar ist, daß die Kraftstoff­ wolke unterschiedlich tief in den Verbrennungsraum eindringt und somit die gegenüberliegende Zylinderwand sowie den Kolben­ boden nicht erreicht oder im wesentlichen nicht benetzt.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß bei luftunterstützten Einspritz­ systemen im Schichtbetrieb der Einspritzdruck der Einspritzdüse zwischen 1,5 bar und 2,0 bar über dem Brennraumdruck liegt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß zwischen einer Mittelachse der Auslaßventile und der Zylindermittelachse ein Winkel δ zwischen 12° und 16° oder von 14° gebildet ist.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß zwischen einer Mittelachse der Einlaßventile und der Zylindermittelachse ein Winkel σ zwischen 20° und 25° oder von 23° gebildet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß die zweite Zündkerze einen Abstand C zur Zylinderwand aufweist, der kleiner ist als der Abstand B zwischen der ersten Zündkerze und der zweiten Zündkerze.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß das Verhältnis der Abstände B und C zwischen zwei und fünf liegt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Pa­ tentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Fi­ guren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung von einem Zy­ linderkopf und einem Zylinderfuß mit Pleuel, Kolben, Zündkerze und Ein­ spritzdüse,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ein- und Auslaßventile in der Ansicht von oben,

Fig. 3 eine Ladungsbewegung im Schichtbetrieb,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Zylinder­ kopfgehäuses mit Ein- und Auslaßventi­ len,

Fig. 5 eine Teildarstellung der Zündkerzen und des Kraftstoffstrahls.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 und Fig. 4 ein Zylinderkopf mit 3 bezeichnet, der aus einem Zylinderkopfgehäuse 15 besteht, an dessen oberem Ende ein Flansch 16 zur Aufnahme eines im der Zeichnung nicht dargestellten Zylinderkopfdeckels vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist ferner ein Zylinderfußgehäuse 14 dargestellt, das zur Aufnahme eines Kolbens 12 mit einem Pleuel 21 dient und ei­ ne Zylinderwand 13 aufweist. Der Kolbenboden 12 kann mit einer Erhöhung 22 und/oder mit einer Mulde 22' ausgestattet sein.

Im Zylinderkopfgehäuse 15 befinden sich in Fig. 4 dargestellte Ein- und Auslaßkanäle 17, 18 sowie in der Zeichnung nicht dar­ gestellte weitere Ein- und Auslaßkanäle. Ferner weist, das Zy­ linderkopfgehäuse 15 Ein- und Auslaßventile 6, 7 auf, die mit Bezug auf eine Zylindermittelachse 24 geneigt verlaufend ange­ ordnet sind. Die Ein- und Auslaßventile 6, 7 werden über eine Ventilsteuereinrichtung 19, 20 betätigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Zylinderkopf 3 bildet mit dem Kol­ benboden 12 und der Zylinderwand 13 einen Verbrennungsraum 1. Im Verbrennungsraum 1 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach dem Verdichtungsvorgang über eine Zündkerze 5 und/oder über eine Zündkerze 28 gezündet. Im Anschluß an den Arbeitshub erfolgt das Ausblasen der Abgase über die Auslaßventile 7, 7' (Fig. 6). Bei dem nun folgenden Ansaugvorgang wird über die Einlaßkanäle 17 und die Einlaßventile 6, 6' Luft angesaugt. Die Kraftstoff­ zufuhr erfolgt im darauffolgenden Kompressionsvorgang (Schicht­ betrieb).

In Fig. 5 ist eine Einspritzdüse 2 dargestellt, deren Mittel­ achse 9 mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite 8 in einem Winkel β angeordnet ist. Der Winkel β kann eine Größe zwischen 10° und 80° aufweisen. Ist die Einspritzdüse 2 als luftunter­ stützte Einspritzdüse ausgebildet, liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 20° und 45°. Im Fall einer reinen Hochdruck- Einspritzdüse 2 liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 35° und 75°.

Ein Kraftstoff 10 wird über die Einspritzdüse 2 eingebracht. Die Einspritzdüse 2 kann als luftunterstützte Einspritzdüse oder als reine Hochdruck-Einspritzdüse ausgebildet sein.

Die Anordnung der Einspritzdüse 2 ergibt sich insbesondere aus Fig. 6, aus der hervorgeht, daß die Einspritzdüse 2 zwischen den beiden Einlaßventilen 6, 6' vorgesehen und auf die Zürdker­ zen 5, 28 ausgerichtet ist. Die erste Zündkerze 5 ist koaxial zur Zylindermittelachse 24 angeordnet und die zweite Zündker­ ze 28 ist in Bezug auf die Zylindermittelachse 24 geneigt ver­ laufend angeordnet.

Die luftunterstützte Einspritzdüse 2 wird mit Kraftstoff 10 und mit Luft versorgt. Der Kraftstoff 10 wird zusammen mit der Luft in den Verbrennungsraum 1 eingebracht. Die Hochdruck- Einspritzdüse 2 bringt nur Kraftstoff 10 in den Verbrennungs­ raum 1.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der zweiten Zündkerze 28. Sie befin­ det sich, im Verhältnis zur Einspritzrichtung, hinter der er­ sten Zündkerze 5. Diese Anordnung ermöglicht es, eine entstan­ dene Kraftstoffwolke 4 optimal zu zünden, da sie sich durch den Einspritzimpuls zwangsläufig zur hinteren Zylinderwand 13 bzw. zur zweiten Zündkerze 28 bewegt. Die durch den Ansaughub des Kolbens 12 entstehende Ladungsbewegung (Tumble) beschreibt zwar im wesentlichen eine Drehbewegung, wird aber im oberen Bereich durch den Einspritzimpuls stärker beeinflußt.

Je nach Motordrehzahl kann mit Hilfe der zweiten Zündkerze 28 die Kraftstoffwolke 4 in der Zylindermitte, am Rand oder an beiden Punkten gezündet werden. Die somit erreichte Verbrennung erfolgt schneller und damit HC-, CO- und rußarm.

Die Einspritzdüse 2 ist derart angeordnet, daß der eintretende Kraftstoffstrahl 10 die Zündkerzen 5, 28 nicht benetzt. Gemäß Fig. 5 ist vorgesehen, daß die obere Kante einer Umhüllungsflä­ che 11 des Kraftstoffstrahls 10 in etwa parallel zur Zylinder­ kopfunterseite 8 verläuft und einen Abstand A zu den Zündker­ zen 5, 28 bzw. zu ihren Anoden 5', 28' zwischen 1 mm und 7 mm aufweist.

Der Kraftstoffstrahl 10 weist beim Austritt aus der Einspritz­ düse 2 einen Öffnungswinkel γ zwischen 40° und 90° auf. Dieser Winkel kann etwas größer oder etwas kleiner sein, d. h. zwi­ schen 50° und 100° oder zwischen 20° und 70°.

Da der Öffnungswinkel γ des Kraftstoffstrahls 10 bei einer rei­ nen Hochdruck-Einspritzdüse 2 etwas größer ist als bei einer luftunterstützten Einspritzdüse 2, ist diese gegenüber der Zy­ linderkopfunterseite 8 unter einem Winkel β zwischen 10° und 50°, insbesondere zwischen 20° und 45°, angeordnet. Die Hoch­ druckdüse dagegen ist unter einem Winkel β zwischen 25° und 80°, insbesondere zwischen 35° und 75°, angeordnet.

Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff 10 über die Einspritzdü­ se 2 während des Verdichtungshubs des Kolbens 12 in den Ver­ brennungsraum 1 gebracht. Diese Ladungsvariante wird während des Teillastbetriebs eingesetzt, da aufgrund der geringen Mo­ tordrehzahlen und der kleineren Kraftstoffmenge etwas weniger Zeit benötigt wird, um ein optimales Zündgemisch zu bilden. Zwischen dem Einspritzvorgang und der Zündung verbleibt für die Gemischbildung noch genügend Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Einspritzdüse 2, der Ein- und Auslaßventile 6, 7 und der Zündkerzen 5, 28 ermöglicht ein luftgeführtes Brennverfahren. Hierbei werden Benetzungen des Kolbenbodens 12 oder der Zylinderwand 13 vermieden bzw. wieder rückgängig gemacht. Insbesondere kann die Kraftstoffwol­ ke 4 aufgrund der zweiten Zündkerze 28 optimal gezündet werden. Durch die Generierung der Tumble-Strömung im Verbrennungsraum 1 wird der fein zerstäubte Kraftstoff 10 entsprechend dem Kraft­ stoffstrahl 10 mitgetragen. Je größer die großräumige Strö­ mungsgeschwindigkeit ist, desto mehr Volumen wird durch den Kraftstoff 10 erfaßt und mit der angesaugten Luft vermischt bzw. aufbereitet. Der eventuell an der Zylinderwand 13 aufge­ tragene Kraftstoff 10 wird durch die Tumbleströmung wieder ab­ getragen. Ein rußendes, mit hohen HC- und CO-Werten verbundenes Abbrennen des Kraftstoffs 10 wird verhindert.

Fig. 3 zeigt die Gemischbildung im Schichtbetrieb. Hierbei will man die gesamte Kraftstoffwolke 4 in der Nähe der Zündker­ zen 5, 28 plazieren, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch mög­ lichst gut in dieser Zone aufbereitet werden muß. Damit eine gute Homogenisierung erreicht wird, muß die Einspritzdüse 2 ei­ nen sehr fein zerstäubten Kraftstoffstrahl 10 erzeugen. In Ver­ bindung mit der geneigten Stellung der Einspritzdüse 2 gelingt es, die Kraftstoffwolke 4 in der Nähe der Zündkerzen 5, 28 zu formieren, um sie dort optimal zu zünden.

Durch die so erzeugte Ladungsbewegung in Form einer feinballi­ gen Turbulenz kann die Kraftstoffwolke 4 homogenisiert werden, ohne daß sie verweht wird.

Die hier beschriebene Ladungsbewegung hat die Eigenschaft, in der Kompressionsphase in feinballige Turbulenz zu zerfallen, d. h. daß sich die in der Ansaugphase generierte großräumige Ladungsbewegung in der Kompressionsphase verlangsamt bzw. auf­ löst und die damit frei werdende Energie in turbulente Energie umgewandelt wird. Diese Turbulenz bewirkt keine großräumige La­ dungsbewegung mehr, sondern transportiert die Kraftstofftropfen nur noch in kleine lokale Gebiete und unterstützt die Verdamp­ fung dieser Tröpfchen.

Einen erheblichen Einfluß auf die Ausbildung der Ladungsbewe­ gung hat die unterschiedliche Stellung der Ein- und Auslaßven­ tile 6, 6', 7, 7' gemäß Fig. 4 und Fig. 6. Die Einlaßventile 6, 6' bilden mit einer Mittelachse 26 und der Zylinderachse 24 ei­ nen Winkel σ von 23° und die Auslaßventile einen Winkel δ von 14° zwischen einer Mittelachse 27 und der Zylinderachse 24.

Claims (14)

1. Ottomotor mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraft­ stoff (10) in einen Verbrennungsraum (1) mittels einer in einem Zylinderkopf (3) vorgesehenen Einspritzdüse (2), der eine in einem Winkel α angeordnete Zündkerze (5) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Schicht­ betrieb neben der ersten Zündkerze (5) mindestens eine weitere Zündkerze (28), geneigt zu einer Zylindermittelachse (24) ver­ laufend, zwischen zwei Auslaßventilen (7, 7') angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zündkerze (28), mit Bezug auf die Einspritzrichtung der Ein­ spritzdüse (2) gesehen, hinter der ersten Zündkerze (5) ange­ ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Ein­ spritzdüse (2) mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite (8) derart geneigt verlaufend angeordnet ist, daß eine erzeugte Kraftstoffwolke (4) eine Zylinderwand (13) und/oder einen Kol­ benboden (12) im wesentlichen nicht benetzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Einspritzdüse (2) in den Verbrennungsraum (1) eintretende Kraftstoffstrahl (10) mit seiner Umhüllungsfläche (11) einen Abstand zu den Zündkerzen (5, 28) zwischen 1 mm und 7 mm auf­ weist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ spritzdüse (2) als luftunterstützte Einspritzdüse ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die luftun­ terstützte Einspritzdüse (2) zwischen zwei Einlaßventilen (6) angeordnet ist und eine Mittelachse (9) dieser Einspritzdü­ se (2) zur Zylinderkopfunterseite (8) einen Winkel β zwischen 10° und 50° oder 20° und 45° aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ spritzdüse (2) als Hochdruckdüse ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Hoch­ druckdüse ausgebildete Einspritzdüse (2) zwischen beiden Ein­ laßventilen (6) angeordnet ist und die Mittelachse (9) dieser Einspritzdüse (2) zur Zylinderkopfunterseite (8) einen Winkel β zwischen 25° und 80° oder 35° und 75° aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ spritzdruck der Einspritzdüse (2) derart beliebig steuerbar ist, daß die Kraftstoffwolke (4) unterschiedlich tief in den Verbrennungsraum (1) eindringt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei luftunterstützten Einspritzsystemen im Schichtbetrieb der Einspritzdruck der Einspritzdüse (2) zwischen 1,5 bar und 2,0 bar über dem Brennraumdruck liegt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ei­ ner Mittelachse (27) der Auslaßventile (7) und der Zylindermit­ telachse (24) ein Winkel δ zwischen 12° und 16° oder von 14° gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ei­ ner Mittelachse (26) der Einlaßventile (6) und der Zylindermit­ telachse (24) ein Winkel σ zwischen 20° und 25° oder von 23° gebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zündkerze (28) einen Abstand C zur Zylinderwand (13) aufweist, der kleiner ist als der Abstand B zwischen der ersten Zündker­ ze (5) und der zweiten Zündkerze (28).

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis der Abstände B und C zwischen zwei und fünf liegt.