DE19939559A1

DE19939559A1 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung

Info

Publication number: DE19939559A1
Application number: DE19939559A
Authority: DE
Inventors: Dieter Voigt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Ladungsschichtung erreicht wird, die auch bei einem überstöchiometrischen Luftverhältnis ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Zündstelle gewährleistet. Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Zylinderkopf (2) eine kegelstumpf- oder dachförmige Innenkontur (3) aufweist, in deren oberer Stumpffläche das Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze (4) angeordnet ist und indem der Kolbenboden (8) ebenfalls eine kegelstumpf- oder dachförmige Kontur (9) aufweist, von deren oberer Stumpffläche ausgehend die Kolbenmulde (10) ausgestattet ist, die an ihrem unteren Bereich einen mittig angeordneten Kegelabschnitt (12) aufweist, wobei das Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze (4) und der Kegelabschnitt (12) der Kolbenmulde (10) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, beste hend aus einem, im Zylinderkopf angeordnetem Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum und zum Zünden des in den Brennraum eingespritzten Brennstoffs sowie aus einem Kolben mit Kolbenmulde.

Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend auch ökologisch be gründete Forderungen zu beachten, insbesondere die Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemission. Dies hat zu einem ständig steigenden Einsatz von direkteinspritzenden Motoren geführt, mit denen auch künftige Verbrauchs- und Abgasnormen erfüllt werden kön nen. Sofern bei Teillastbetrieb an direkteinspritzenden Ottomotoren ein überstöchiometri sches Luftverhältnis realisiert wird, werden neben niedrigem Kraftstoffverbrauch und guter Laufruhe besonders niedrige Abgasemissionen erreicht. Voraussetzung ist jedoch eine weit gehend optimale Gemischaufbereitung.

Im Idealfall wird durch entsprechende Ladungsbewegung eine Ladungsschichtung mit einem zündfähigen Gemisch realisiert, das sich zum Zündzeitpunkt im Bereich der die Verbrennung einleitenden Zündkerze befindet. Die praktische Umsetzung dieser theoretischen Überlegung ist aufgrund der verschiedenen möglichen Betriebspunkte und der zu beachtenden konstruk tiven Randbedingungen kompliziert. Die Gemischaufbereitung wird demzufolge von zahlrei chen konstruktiven und verfahrenstechnischen Faktoren beeinflußt, z. B. von Brennraum- und Kolbenkonturen, Ladungsbewegung durch gezielte Frischgaseinströmung, Positionierung des Einspritzventils, Auslegung des Einspritzstrahls oder Auswahl des Einspritzzeitpunktes. Somit werden angestrebte Verbesserungen bezüglich der Gemischaufbereitung oftmals nur teilweise erreicht.

Für die Realisierung eines funktionssicheren Arbeitsverfahrens wurden bereits verschieden artige konstruktive Ausgestaltungen vorgeschlagen. Häufig wird eine Mulde im Kolben vor gesehen, in die zumindest ein Teil des Kraftstoffs eingespritzt wird. Die Kontur der Mulde soll eine zusätzliche Ladungsbewegung unterstützen. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus US-PS 2 882 873 bekannt, die eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Brennstoff einspritzventil und Zündkerze beschreibt.

Eine ähnliche Konstruktion ist aus DE 198 19 197 A1 bekannt. Gegenstand dieser Druck schrift ist ferner ein Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Zünd stelle. Demzufolge trifft der mittels Direkteinspritzung zugeführte Kraftstoff teilweise auf die Mulde im Kolben und wird dort zunächst wandangelagert. Während des weiteren Verdich tungstaktes wird der Kraftstoff von dort verdampft und/oder von der Strömung mitgerissen und mit einem Teil des übrigen Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum vermischt. Mit die sem Verfahren wird eine verbesserte Gemischaufbereitung und Homogenisierung des Kraft stoff-Luft-Gemisches erreicht. Die konstruktive Realisierung dieses Verfahrens ist zumindest bei kompakten Zylinderkopfkonstruktionen und bei kleinen Zylinderhubräumen problema tisch. An derartigen Konstruktionen führt der für das Einspritzventil und für die Zündkerze bereitzustellende Bauraum zu Kompromissen bezüglich der Anordnung und Gestaltung von Ladungswechselventilen sowie von Einlaß- und Auslaßkanälen. Deshalb werden die Vor richtungen zum Einspritzen und zum Zünden des Brennstoffs zunehmend in gemeinsamen Baueinheiten miteinander kombiniert, z. B. als Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zünd kerze gemäß DE 196 38 025 A1. Für ein solches Konstruktionsprinzip sind die in US-PS 2 882 873 und DE 198 19 197 A1 beschriebenen Vorrichtungen allerdings nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Ladungsschichtung erreicht wird, die auch bei einem überstöchiometrischen Luftverhältnis ein zündfähiges Kraft stoff-Luft-Gemisch an der Zündstelle bereitstellt. Hierbei soll zum Einspritzen und zum Zün den ein Brennstoffeinspritzventil mit einer integrierten Zündkerze verwendet werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8. Die erfindungsgemäße Konstrukti on bewirkt eine Ladungsbewegung im Brennraum, in deren Folge sich zum Zündzeitpunkt eine Ladungsschichtung mit einem zündfähigem Gemisch an der Zündstelle ergibt. Demzu folge kann insbesondere bei Teillastbetrieb an direkteinspritzenden Ottomotoren ein überstöchiometrisches Luftverhältnis realisiert werden, das einen niedrigen Kraftstoffver brauch und geringe Abgasemissionen ermöglicht. Für den Gemischtransport zur Zündkerze wird vorteilhaft die ohnehin vorhandene kinetische Einspritzenergie des Kraftstoffs für eine Bewegungsänderung in der Kolbenmulde genutzt. Der Gemischtransport zur Zündkerze wird ferner durch die Lenkung der Frischgasströmung zwischen den kegelstumpf- bzw. dach förmigen Konturen von Zylinderkopf und Kolbenboden unterstützt. Im Ergebnis dieser koor dinierten Ladungsbewegungen wird eine zentrale Positionierung der Gemischwolke im Brennraum erzielt, wodurch die Funktionssicherheit des Arbeitsverfahrens gewährleistet ist. Diese Lösung ergibt besondere Vorteile bei Anwendung an kompakten Zylin derkopfkonstruktionen und bei kleinen Zylinderhubräumen, an denen lediglich wenig Bau raum für die Anordnung der Baugruppen zum Einspritzen und zum Zünden des Brennstoffs verfügbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Darstellung der Bewegungsabläufe im Brennraum

Fig. 2 einen vereinfachten Ausschnitt aus Fig. 1

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus dem Zylinderblock einer direkteinspritzenden. Brennkraftma schine mit Fremdzündung dargestellt. Der Zylinder 1 hat eine fiktive Zylinderachse "ZA" und geht im oberen Abschnitt in einen Zylinderkopf 2 über. Der Zylinderkopf 2 hat eine kegel stumpf oder dachförmige Innenkontur 3. In der oberen Stumpffläche dieser Kontur 3 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze 4 im Zylinderkopf 2 angeordnet. Das Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze 4 wird zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum 5 und zum Zünden des in den Brennraum 5 eingespritzten Brennstoffs benutzt. Anstelle dieses Brennstoffeinspritzventils mit integrierter Zündkerze 4 können das Brennstoffeinspritzventil und die Zündkerze jeweils als separate Bauteile ange ordnet werden. Hierbei sollte jedoch eine Anordnung nahe der Zylinderachse "ZA" realisiert werden. Im Zylinderkopf 2 sind weiterhin Ladungswechselventile 6 angeordnet, die sich im Bereich der Innenkontur 3 befinden.

Im Zylinder 1 wird ein Kolben 7 geführt. Dessen Kolbenboden 8 weist eine kegelstumpf- oder dachförmige Kontur 9 auf, die in eine zentrale Kolbenmulde 10 übergeht. Am Übergangsbe reich von aufsteigender Kontur 9 und der Kolbenmulde 10 ist am Kolbenboden 8 ein umlau fender Vorsprung 11 zur Frischgasführung vorgesehen. Die Innenkontur 3 vom Zylinderkopf 2 sowie die Kontur 9 vom Kolbenboden 8 können auch flach verlaufen, also senkrecht zur Zylinderachse "ZA".

Die Kolbenmulde 10 weist an ihrem unteren Bereich einen mittig angeordneten Kegelab schnitt 12 auf und hat einen weitgehend rotationssymetrischen Querschnitt. Die Symmetrie achse verläuft durch den Kegelabschnitt 12 und liegt folglich im gezeigten Ausführungsbei spiel auf der Zylinderachse "ZA".

Das Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze 4 und der Kegelabschnitt 12 der Kol benmulde 10 sind einander gegenüberliegend angeordnet und liegen vorzugsweise auf der Zylinderachse "ZA". Die kegelstumpf- oder dachförmigen Konturen 3 und 9 von Zylinderkopf 2 und Kolbenboden 8 verlaufen zueinander weitgehend parallel.

Für diese Brennkraftmaschine ergibt sich folgender Verfahrensablauf, wobei die grundsätzli chen Bewegungsabläufe im Zylinder 1 aus der Fig. 1 ersichtlich sind: Beim Ansaughub er folgt über mindestens ein Ladungswechselventil 6 eine ungedrosselte Frischgaseinströmung mit Drallbildung. Das Frischgas strömt in den Bereich zwischen der Innenkontur 3 am Zylin derkopf 2 und der Kontur 9 am Kolbenboden 8 ein. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 7 wird die im Brennraum 5 um die Zylinderachse "ZA" rotierende Frischgasladung verdichtet und unter zunehmender Drallsteigerung in die zentrale Kolbenmulde 10 gescho ben. Die in Fig. 1 im Brennraum 5 gezeigten Pfeile zeigen hierzu die Ladungsbewegung, der hier nicht sichtbar eine Rotationsbewegung überlagert ist. Gegen Verdichtungsende erfolgt eine zylinderachssymetrische Kraftstoffeinspritzung in die zentrale Kolbenmulde 10. Hierbei wird mit dem Brennstoffeinspritzventil Kraftstoff in die bewegte Frischgasladung in der Kol benmulde 10 gespritzt. Der Kegelabschnitt 12 wirkt als Strömungsteiler. Demzufolge wird der Kraftstoffspritzkegel, der eine kinetische Einspritzenergie hat, wie auch die Frischgasladung am Kegelabschnitt 12 reflektiert bzw. umgelenkt. Danach wird der Kraftstoff über die Wand flächen der Kolbenmulde 10 wie auch über die Frischgasladung nach oben geführt. Am um laufenden Vorsprung 11 geht die Bewegung ohne unterstützende Führung durch die Kol benmulde 10 weiter in Richtung der Zündkerze. Im Bereich über dem Rand der Kolbenmulde 10 erfolgt eine Überlagerung mit der zur Kolbenmulde 10 gerichteten Frischgasströmung. Die radiale Drallüberlagerung unterstützt die Kraftstoffbewegung, so daß die in der Mulde 10 auf gebaute Schichtung nunmehr als brennraumzentrale Ladungsschichtung bestehen bleibt.

Sobald die Gemischwolke den Zündkerzenbereich streift, kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels der Zündkerze gezündet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Zylinder

2

Zylinderkopf

3

Innenkontur am Zylinderkopf

4

Brennstoffeinspritzventil mit Zündkerze

5

Brennraum

6

Ladungswechselventile

7

Kolben

8

Kolbenboden

9

Kontur am Kolbenboden

10

Kolbenmulde

11

umlaufender Vorsprung

12

unterer Kegelabschnitt der Kolbenmulde
"ZA" Zylinderachse

Claims

1. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bestehend aus einem, im Zylinderkopf angeordnetem Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum und zum Zünden des in den Brennraum eingespritzten Brennstoffs sowie aus einem Kolben mit Kolbenmulde, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (2) eine kegelstumpf oder dachför mige Innenkontur (3) aufweist, in deren oberer Stumpffläche das Brennstoff einspritzventil mit integrierter Zündkerze (4) angeordnet ist und daß der Kolbenboden (8) ebenfalls eine kegelstumpf- oder dachförmige Kontur (9) aufweist, von deren obe rer Stumpffläche ausgehend die Kolbenmulde (10) ausgestaltet ist, die an ihrem unte ren Bereich einen mittig angeordneten Kegelabschnitt (12) aufweist, wobei das Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze (4) und der Kegelabschnitt (12) der Kolbenmulde (10) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffein spritzventil mit integrierter Zündkerze (4) und der Kegelabschnitt (12) der Kolbenmul de (10) auf der Zylinderachse ("ZA") angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpf- oder dachförmigen Konturen (3; 9) von Zylinderkopf (2) und Kolbenboden (8) zueinander weitgehend parallel verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde (10) einen weitgehend rotationssymetrischen Querschnitt aufweist, dessen Symmetrie achse durch den Kegelabschnitt (12) verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (8) am Übergangsbereich von aufsteigender Kontur (9) und Kolbenmulde (10) einen um laufenden Vorsprung (11) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungswechsel ventile (6) im Bereich der kegelstumpf- oder dachförmigen Innenkontur (3) des Zylin derkopfes (2) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an stelle des Brennstoffeinspritzventils mit integrierter Zündkerze (4) ein separates Brennstoffeinspritzventil sowie eine separate Zündkerze nahe an der Zylinderachse ("ZA") angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (3) von Zylinderkopf (2) sowie die Kontur (9) von Kolbenboden (8) senk recht zur Zylinderachse ("ZA") verlaufen.