DE19919643A1 - Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff beim Ottomotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ottomotor mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff 10 in einen Verbrennungsraum 1 mittels einer in einem Zylinderkopf 3 vorgesehenen Einspritzdüse 2, der eine in einem Winkel angeordnete Zündkerze 5 zugeordnet ist, wobei eine Mittelachse 9 der Einspritzdüse 2 mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite 8 derart geneigt verlaufend angeordnet ist, daß eine erzeugte Kraftstoffwolke 4 eine Zylinderwand 13 und/oder einen Kolbenboden 12 im wesentlichen nicht benetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ottomotor mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum mittels einer in einem Zylinderkopf vorgesehenen Einspritzdüse, der eine in einem Winkel angeordnete Zündkerze zugeordnet ist.

Bei Brennverfahren dieser Art wird zwischen zwei Varianten 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 Kolbenboden benetzt und von dort über die Ladungsbewegung bzw. den Tumble des Kraftstoff-Luft-Gemischs wieder abgedampft wird.

Nach dem strahlgeführten Brennverfahren trifft der Kraftstoffstrahl während des Einspritzvorgangs auf die Zündkerze auf und wird dann gezündet.

Es ist bereits ein Ottomotor der eingangs aufgeführten Art bekannt (DE 196 42 653 C1), der eine Direkt-Einspritzung des Kraftstoffs über eine Einspritzdüse realisiert. Diese direkt einspritzende Ottomotor arbeitet nach dem wandgeführten Brennverfahren. Hierbei trifft der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoff in einem annähernd rechten Winkel auf den Kolbenboden auf. Die Verdampfung des Kraftstoffs wird durch die Wärmezufuhr vom Kolben unterstützt, erfolgt meist aber nicht schnell genug und hat eine unnötig hohe Ruß-, CO- und HC- Emission zur Folge. Die Zündeinrichtung verrußt durch das direkte Auftreffen des Kraftstoffs stark.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, die Ladungsbewegung im Verbrennungsraum derart zu gestalten, daß eine Benetzung der Zylinderwand bzw. des Kolbenbodens nahezu vermieden wird, um damit eine möglichst schnelle und vollständig luftgeführte Verbrennung zu erzielen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß eine Mittelachse der Einspritzdüse mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite derart geneigt verlaufend angeordnet ist, daß eine erzeugte Kraftstoffwolke eine Zylinderwand und/oder einen Kolbenboden im wesentlichen nicht benetzt.

Hierdurch wird erreicht, daß trotz Ladungsbewegung (Tumble) im Schichtbetrieb das Kraftstoff-Luft-Gemisch besser homogenisiert wird, was dazu führt, daß der Verbrennungswirkungsgrad verbessert und die Emission von Ruß, HC und CO vermindert wird.

Die erreichte Tumble-Zahl liegt ca. bei zwei. Dieser Wert ist zwar recht gering, läßt aber nicht nur eine ausreichende Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, sondern auch eine bessere Füllung des Verbrennungsraums zu.

Der Tumble wird zum einen durch die flache Lage der Einspritzdüse und zum anderen durch die Anordnung der Einlaßventile begünstigt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß der aus der Einspritzdüse in den Verbrennungsraum eintretende Kraftstoffstrahl mit seiner Umhüllungsfläche einen Abstand A zur Zündkerze zwischen 1 mm und 7 mm aufweist. Dieser Abstand gewährleistet, daß die Zündkerze nicht benetzt wird und damit nicht verrußt.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Einspritzdüse als luftunterstützte Einspritzdüse ausgebildet ist. Durch das gleichzeitige Einbringen von Luft und Kraftstoff mittels der Einspritzdüse wird die Luft-Kraftstoff-Gemischbildung schon im Vorfeld der eigentlichen Ladungsbewegung begünstigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß die luftunterstützte Einspritzdüse zwischen zwei Einlaßventilen angeordnet ist und die Mittelachse dieser Einspritzdüse zur Zylinderkopfunterseite einen Winkel zwischen 10° und 50° oder 20° und 45° aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß die Einspritzdüse als Hochdruckdüse ausgebildet ist. Auch bei der Hochdruckdüse erfolgt eine schnelle Aufbereitung des Luft-Kraftstoff-Gemischs und damit eine optimale Verbrennung.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß die als Hochdruckdüse ausgebildete Einspritzdüse zwischen beiden Einlaßventilen angeordnet ist und die Mittelachse dieser Einspritzdüse zur Zylinderkopfunterseite einen Winkel zwischen 25° und 80° oder 30° und 75° aufweist.

Die Anordnung der Einspritzdüsen in den o. g. Winkelbereichen ermöglicht das Einbringen des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum, ohne daß die Zylinderwände oder der Kolbenboden im wesentlichen benetzt werden.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß der Einspritzdruck der Einspritzdüse derart beliebig steuerbar ist, daß die Kraftstoffwolke unterschiedlich tief in den Verbrennungsraum eindringt. Die gegenüberliegende Zylinderwand sowie der Kolbenboden werden nicht erreicht oder im wesentlichen nicht benetzt.

Vorteilhaft ist es ferner, daß der Einspritzdruck der Einspritzdüse bei luftunterstützten Einspritzsystemen im Schichtbetrieb zwischen 1,5 bar und 2,0 bar über dem Brennraumdruck liegt.

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

Hierzu ist es vorteilhaft, daß zwischen einer Mittelachse der Einlaßventile und der Zylindermittelachse ein Winkel σ zwischen 20° und 25° oder 23° besteht.

Ferner ist es vorteilhaft, daß der Winkel σ größer ist als der Winkel δ.

Die derart angeordneten Ein- bzw. Auslaßventile ermöglichen in Verbindung mit dem Einspritzwinkel der Einspritzdüse das Einbringen des Kraftstoffs, ohne im wesentlichen die Zylinderwand oder den Kolbenboden zu benetzen. Dies bietet die Voraussetzung für ein luftunterstütztes Brennverfahren in der beschriebenen Art und Weise.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung von einem Zylinderkopf und einem Zylinderfuß mit Pleuel, Kolben, Zündkerze und Einspritzdüse,

Fig. 2 eine Ladungsbewegung im Homogenbetrieb,

Fig. 3 eine Ladungsbewegung im Schichtbetrieb,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Zylinderkopfs mit Ein- und Auslaßventilen,

Fig. 5 eine Teildarstellung von Zündkerze und Kraftstoffstrahl,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Ein- und Auslaßventile in der Ansicht von oben.

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 in 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 eine Zylinderwand 13 aufweist. Der Kolbenboden 12 kann mit einer Erhöhung 22 und/oder mit einer Mulde 22' oder flach ausgestattet sein.

Im Zylinderkopfgehäuse 15 befinden sich in Fig. 4 dargestellte Ein- und Auslaßkanäle 17, 18 sowie in der Zeichnung nicht dargestellte weitere Ein- und Auslaßkanäle. Ferner weist der Zylinderkopf 3 Ein- und Auslaßventile 6, 7 auf, die mit Bezug auf eine Zylindermittelachse 24 geneigt verlaufend angeordnet sind. Die Ein- und Auslaßventile 6, 7 werden über eine Ventilsteuereinrichtung 19, 20 betätigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Zylinderkopf 3 bildet mit dem Kolbenboden 12 und der Zylinderwand 13 einen Verbrennungsraum 1. Im Verbrennungsraum 1 wird das Kraftstoff- Luft-Gemisch nach dem Verdichtungsvorgang über eine Zündkerze 5 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 Kraftstoffzufuhr erfolgt entweder im Ansaugvorgang (Homogenbetrieb) oder im darauffolgenden Kompressionsvorgang (Schichtbetrieb).

In Fig. 5 ist eine Einspritzdüse 2 dargestellt, deren Mittelachse 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 luftunterstützte Einspritzdüse ausgebildet, liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 20° und 45°. In dem Fall einer reinen Hochdruck-Einspritzdüse 2 liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 30° und 75°. Besonders vorteilhaft ist ein Winkel β von 35°.

Der Kraftstoff 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 Zündkerze 5 ausgerichtet ist, die koaxial zur Zylindermittelachse 24 angeordnet ist. Es ist auch möglich, die Zündkerze 5 in Bezug auf die Zylindermittelachse 24 geneigt verlaufend anzuordnen. Eine luftunterstützte Einspritzdüse 2 wird mit Kraftstoff und mit Luft versorgt. Der Kraftstoff wird zusammen mit der Luft in den Verbrennungsraum eingebracht. Eine Hochdruck- Einspritzdüse 2 bringt nur Kraftstoff in den Verbrennungsraum.

Die Einspritzdüse 2 ist derart angeordnet, daß ein eintretender Kraftstoffstrahl 10 die Zündkerze 5 nicht benetzt. Gemäß Fig. 5 ist vorgesehen, daß die obere Kante einer Umhüllungsfläche 11 des Kraftstoffstrahls 10 in etwa parallel zur Zylinderkopfunterseite 8 verläuft und einen Abstand A zur Zündkerze 5 bzw. zu einer Anode 5' zwischen 1 mm und 7 mm aufweist.

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

Da der Öffnungswinkel γ des Kraftstoffstrahls 10 bei einer reinen Hochdruck-Einspritzdüse 2 etwas größer ist als bei einer luftunterstützten Einspritzdüse 2, ist diese gegenüber der Zylinderkopfunterseite 8 unter einem Winkel β zwischen 10° und 50°, insbesondere zwischen 20° und 45°, angeordnet. Die Hochdruckdüse dagegen ist unter einem Winkel β zwischen 25° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 75°, angeordnet.

Im Homogenbetrieb wird der Kraftstoff 10 über die Einspritzdüse 2 während des Ansaughubs des Kolbens 12 in den Verbrennungsraum 1 eingebracht. Diese Ladungsvariante wird während des Vollastbetriebs eingesetzt, da hier aufgrund der Motordrehzahlen und der Kraftstoffmenge etwas mehr Zeit benötigt wird, um ein optimales Zündgemisch zu bilden. Zwischen dem Einspritzvorgang und der Zündung verbleibt noch die Zeit des Verdichtungshubs des Kolbens 12, in der sich eine Kraftstoffwolke 4 ausbilden kann.

Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff 10 über die Einspritzdüse 2 während des Verdichtungshubs des Kolbens 12 in den Verbrennungsraum 1 gebracht. Diese Ladungsvariante wird während des Teillastbetriebs eingesetzt, da aufgrund der geringen Motordrehzahlen 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 Zündkerze 5 ermöglicht ein luftgeführtes Brennverfahren. Hierbei werden Benetzungen des Kolbenbodens 12 oder der Zylinderwand 13 vermieden bzw. wieder rückgängig gemacht. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, wird im Homogenbetrieb durch die Stellung der Einspritzdüse 2 und die Stellung der Einlaßventile 6, 6' eine Ladungsbewegung bzw. ein High Tumble der Kraftstoffwolke 4 erreicht, die ein Benetzen der Zylinderwand 13 nahezu verhindert bzw. rückgängig macht.

Durch die Generierung der Tumble-Strömung im Verbrennungsraum 1 wird der fein zerstäubte Kraftstoff 10 entsprechend dem Kraftstoffstrahl 10 mitgetragen. Je größer die großräumige Strömungsgeschwindigkeit ist, desto mehr Volumen wird durch den Kraftstoff 10 erfaßt und mit der angesaugten Luft vermischt bzw. aufbereitet. Der eventuell an der Zylinderwand 13 aufgetragene Kraftstoff 10 wird durch die Tumbleströmung wieder abgetragen. Ein rußendes, mit hohen HC- und CO-Werten verbundenes Abbrennen des Kraftstoffs 10 wird verhindert.

Fig. 3 zeigt die Gemischbildung im Schichtbetrieb. Während bei der homogenen Gemischbildung der Kraftstoff 10 möglichst weiträumig im Verbrennungsraum 1 verteilt werden soll, will man im Schichtbetrieb die gesamte Kraftstoffwolke 4 in der Nähe der Zündkerze 5 plazieren, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch möglichst gut in dieser Zone aufbereitet werden muß. Damit eine gute Homogenisierung erreicht wird, muß die Einspritzdüse 2 einen sehr fein zerstäubten Kraftstoffstrahl 10 erzeugen. In Verbindung mit der geneigten Stellung der Einspritzdüse 2 gelingt es, die Kraftstoffwolke 4 in der Nähe der Zündkerze 5 zu formieren. Durch die so erzeugte Ladungsbewegung in Form einer feinballigen 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. auflöst und die damit frei werdende Energie in turbulente Energie umgewandelt wird. Diese Turbulenz bewirkt keine großräumige Ladungsbewegung mehr, sondern transportiert die Kraftstofftropfen nur noch in kleine lokale Gebiete und unterstützt die Verdampfung dieser Tröpfchen.

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

Claims (11)

1. Ottomotor mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff (10) in einen Verbrennungsraum (1) mittels einer in einem Zylinderkopf (3) vorgesehenen Einspritzdüse. (2), der eine in einem Winkel angeordnete Zündkerze (5) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelachse (9) der Einspritzdüse (2) mit Bezug auf eine Zylinderkopfunterseite (8) derart geneigt verlaufend angeordnet ist, daß eine erzeugte Kraftstoffwolke (4) eine Zylinderwand (13) und/oder einen Kolbenboden (12) im wesentlichen nicht benetzt.

2. 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 A zur Zündkerze (5) zwischen 1 mm und 7 mm aufweist.

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

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die luftunterstützte Einspritzdüse (2) zwischen zwei Einlaßventilen (6) angeordnet ist und die Mittelachse (9) dieser Einspritzdüse (2) zur Zylinderkopfunterseite (8) einen Winkel zwischen 10° und 50° oder 20° und 45° aufweist.

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

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Hochdruckdüse ausgebildete Einspritzdüse (2) zwischen beiden Einlaßventilen (6, 6') angeordnet ist und die Mittelachse (9) dieser Einspritzdüse (2) zur Zylinderkopfunterseite (8) einen Winkel zwischen 25° und 80° oder 35° und 75° aufweist.

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

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

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Mittelachse (27) der Auslaßventile (7, 7') und einer Zylindermittelachse (24) ein Winkel δ zwischen 12° und 16° oder 14° besteht.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Mittelachse (26) der Einlaßventile (6) und der Zylindermittelachse (24) ein Winkel σ zwischen 20° und 25° oder 23° besteht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel σ größer ist als der Winkel 8.