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Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein den Brennraum seitlich begrenzendes Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegbar ist, und
- – jeder Zylinder in einem Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum ausgestattet ist, die über mindestens zwei Öffnungen verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Brennraum aktivierbar sind.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder und deren Brennräume miteinander verbunden werden bzw. sind. Der Zylinderblock dient regelmäßig als obere Kurbelgehäusehälfte zur Lagerung der Kurbelwelle und zur Aufnahme des Kolbens bzw. der Zylinderlaufbuchse jedes Zylinders. Der Kolben kann auch unter Weglassen einer Buchse als Zwischenelement direkt in einer Bohrung des Blocks gelagert und geführt sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird sowohl die Zylinderlaufbuchse als auch die Bohrung unter den Begriff Zylinderrohr subsumiert.
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Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet. Das Ventil einschließlich des zugehörigen Betätigungsmechanismus wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird regelmäßig ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einer äußeren Gemischbildung und einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraums erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung des Kraftstoffes direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zur Anwendung kommt.
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Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
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Die Direkteinspritzung ist durch eine inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern regelmäßig sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. Die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist auch ein Grund dafür, dass die vom dieselmotorischen Verfahren her bekannten Partikelemissionen beim direkteinspritzenden Ottomotor ebenfalls von Relevanz sind, wohingegen diese Emissionen beim traditionellen Ottomotor nahezu keine Bedeutung haben.
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Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
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Die daraus resultierenden Anforderungen an die Gemischbildung betreffen nicht nur den direkteinspritzenden Ottomotor, sondern grundsätzlich jede direkteinspritzende Brennkraftmaschine und damit auch direkteinspritzende Dieselmotoren. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ganz allgemein eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
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Da bei einer Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, sind Maßnahmen erforderlich, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung weitestgehend zu homogenisieren; zumindest solange kein Schichtladebetrieb angestrebt wird. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem Verteilen des Kraftstoffes im Brennraum und damit auch dem Einspritzen des Kraftstoffes zu.
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Um die Gemischbildung zu verbessern, bedient man sich gemäß dem Stand der Technik häufig einer Voreinspritzung von Kraftstoff, bei der eine kleine Menge Kraftstoff vor der eigentlichen Haupteinspritzung in den Zylinder eingebracht wird. Die Voreinspritzung wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Stickoxidemissionen aus und senkt den Druckgradienten, wodurch insbesondere die Geräuschemissionen vermindert werden.
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Brennkraftmaschinen, die von einer Voreinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig für eine Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des Kraftstoffes bei der Voreinspritzung auf die Zylinderinnenwand, insbesondere das Zylinderrohr, und mischt sich mit dem dort anhaftenden Ölfilm. Anschließend gelangt der Kraftstoff zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Ölverdünnung nimmt mit steigender Kraftstoffmenge und Verschieben der Voreinspritzung nach früh zu, weshalb häufig auch später, d. h. im letzten Drittel der Kompressionsphase, in der sich der Kolben während des Ladungswechsels vom unteren Totpunkt hin zum oberen Totpunkt bewegt, voreingespritzt wird. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluss auf den Verschleiß und die Haltbarkeit, d. h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
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Beim wandgeführten Verfahren, das bei direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommt, wird der Kraftstoff in der Art eingespritzt, dass der Einspritzstrahl auf eine den Brennraum begrenzende Wand trifft, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde, wobei die Kraftstoffstrahlen durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden sollen, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird.
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Grundsätzlich soll eine Benetzung der Brennrauminnenwände, auch des Kolbenbodens, mit eingespritztem Kraftstoff aber verhindert werden.
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Eine erzwungene Ladungsbewegung, beispielsweise ein Tumble oder ein Drall, kann die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse, d. h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft. Ein Drall stellt einen Luftwirbel dar, dessen Achse parallel zur Kolben- d. h. Zylinderlängsachse verläuft.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen die Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils im Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzdüse ausgestattet sind. Die Einspritzdüse eines Zylinders ist dabei auf den Zylinderkopf ausgerichtet; im Einzelfall auf das Auslassventil des Zylinders. Diese Maßnahme soll die Verdampfung der Kraftstoffteilchen bzw. Kraftstofftröpfchen unterstützen und beschleunigen und damit die Gemischbildung. Gleichzeitig wird der Kopf bzw. das geschlossene Auslassventil mittels Kraftstoff gekühlt. Des Weiteren sollen sich Vorteile bei den Schadstoffemissionen ergeben. Es können auch zwei Einspritzdüsen vorgesehen werden, die gegebenenfalls miteinander interagieren, wodurch die Gemischbildung nochmals verbessert werden soll. Die
US 5,421,301 beschreibt eine derartige Brennkraftmaschine.
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Nachteilig an dem in der
US 5,421,301 beschriebenen Einspritzverfahren und generell an Brennkraftmaschinen, deren Zylinder im Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzvorrichtung ausgestattet sind, ist, dass eine Einspritzung erst vorgenommen werden kann, wenn der zylinderzugehörige Kolben auf seinem Weg zum unteren Totpunkt die Einspritzvorrichtung passiert hat und den Brennraum für die Öffnungen der Einspritzvorrichtung zugänglich macht. Dadurch wird das Kurbelwinkelfenster, in welchem eine Einspritzung grundsätzlich erfolgen kann, stark eingeschränkt. Dies ist umso relevanter, da bei einer Direkteinspritzung von Hause aus schon sehr wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht.
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Eine Einspritzdüse, die – wie in der
US 5,421,301 beschrieben – auf den Zylinderkopf hin ausgerichtet ist, versorgt im Rahmen des Einspritzvorganges zudem nur den zylinderkopfseitigen Bereich des Brennraums mit Kraftstoff, wohingegen der Bereich des Brennraums zwischen Einspritzvorrichtung und unterem Totpunkt, d. h. der kolbenseitige Bereich des Brennraums, beim Einspritzen unberücksichtigt bleibt.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Gemischbildung, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein den Brennraum seitlich begrenzendes Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist, wobei der Kolben entlang einer Kolbenlängsachse zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegbar ist, und
- – jeder Zylinder in einem Bereich des Zylinderrohres mit einer Einspritzvorrichtung zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum ausgestattet ist, die über mindestens zwei Öffnungen verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum aktivierbar sind,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die mindestens zwei Öffnungen in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einer Öffnung bilden,
- – die mindestens eine Öffnung einer ersten Gruppe nicht auf den Kolbenboden des zylinderzugehörigen Kolbens ausgerichtet ist, wohingegen mindestens eine Öffnung einer zweiten Gruppe auf den Kolbenboden des zylinderzugehörigen Kolbens ausgerichtet ist, wobei Bezug genommen wird auf eine Position des Kolbens, in der der Brennraum für die mindestens zwei Öffnungen zugänglich ist und der Kolben sich möglichst nahe am oberen Totpunkt befindet, und
- – die mindestens zwei Gruppen umfassend jeweils mindestens eine Öffnung im Rahmen eines Einspritzvorganges zeitlich versetzt aktivierbar sind, wobei die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe früher als die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe aktiviert ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Öffnungen der zylinderzugehörigen Einspritzvorrichtung gruppiert, wobei die unterschiedlichen Gruppen, die jeweils mindestens eine Öffnung umfassen, zeitlich versetzt aktivierbar sind, d. h. nacheinander unter Ausbildung eines Zeitabstandes aktiviert werden. Durch das zeitlich versetzte Aktivieren der Öffnungen können unterschiedliche Bereiche des Brennraums zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Kurbelwinkeln, d. h. bei unterschiedlichen Kolbenstellungen mit eingespritztem Kraftstoff versorgt werden.
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So kann im Rahmen eines Einspritzvorganges zunächst der zylinderkopfseitige Bereich des Brennraums mit Kraftstoff versorgt werden und der kolbenseitige Bereich des Brennraums, d. h. der Bereich zwischen dem unteren Totpunkt bzw. dem Kolbenboden und den Öffnungen, zu einem späteren Zeitpunkt.
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Diese Art und Weise des Einspritzens von Kraftstoff, d. h. die erfindungsgemäße Konzipierung des Einspritzvorganges, trägt dem Umstand Rechnung, dass nicht sämtliche Bereiche des Brennraums zeitgleich für die Einspritzung von Kraftstoff zur Verfügung stehen und Kraftstoff nur dann eingespritzt werden kann, wenn der zylinderzugehörige Kolben den jeweiligen Brennraumbereich für die Einspritzvorrichtung zugänglich macht, d. h. freigibt. Zudem wird berücksichtigt, dass bei einer Direkteinspritzung sehr wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht und daher die für die Einspritzung bereitstehende Zeit möglichst umfänglich genutzt werden sollte. Erfindungsgemäß kann der Einspritzvorgang starten, sobald der Kolben den Brennraum für die mindestens zwei Öffnungen zugänglich macht.
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Regelmäßig wird die Öffnung einer Einspritzvorrichtung dadurch aktiviert, dass diese Öffnung zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Zylinder mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbunden und damit freigeben wird.
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Beendet wird der Einspritzvorgang dadurch, dass die Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt werden, d. h. deaktiviert werden. Erfindungsgemäß kann auch das Deaktivieren der Öffnungen zeitversetzt erfolgen.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, bei der die Gemischbildung, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, verbessert ist.
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Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewinnt auch im Hinblick auf die Verringerung der Stickoxidemissionen an Bedeutung, da die Bildung von Stickoxiden nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert und daher zunehmend Brennverfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zur Anwendung kommen, wie beispielsweise das HCCI-Verfahren (homogenous-charge compression-ignition), das auch als Raumzündverfahren oder CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) bezeichnet wird und auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes basiert. Aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen weist eine im HCCI-Modus betriebene Brennkraftmaschine vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen auf und ebenfalls niedrige bzw. nahezu keine Rußemissionen.
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Aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperaturen und der damit verbundenen geringeren Temperaturdifferenzen in der Brennkraftmaschine sind die Wärmeverluste geringer als bei herkömmlich betriebenen Brennkraftmaschinen. Dies führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad. Ein HCCI-Verfahren kann sowohl beim Ottomotor als auch beim Dieselmotor eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Gruppen umfassend jeweils mindestens eine Öffnung im Rahmen eines Einspritzvorganges zeitlich versetzt deaktivierbar sind, wobei die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe früher als die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe deaktiviert ist.
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Diese Vorgehensweise trägt insbesondere dem Umstand Rechnung, dass der sich auf den oberen Totpunkt zu bewegende Kolben zunächst den Bereich des Brennraums zwischen dem unteren Totpunkt und den Öffnungen überstreicht bevor die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe passiert wird und der Kolben in den zylinderkopfseitigen Bereich des Brennraums einläuft. Die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe ist daher vorzugsweise früher zu deaktivieren; zumindest falls der Einspritzvorgang sich bis in den Kompressionstakt des Ladungswechsels hinein erstreckt.
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Verfügt die Einspritzvorrichtung über einen beweglichen, beispielsweise translatorisch verschiebbaren, Verschlusskörper, der im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Einbringen von Kraftstoff aktiviert und gemäß der erfindungsgemäßen Konzipierung des Einspritzens zuerst die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe und zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe freigibt, ergibt es sich in der Regel von selbst, dass in umgekehrter Richtung beim Deaktivieren der Öffnungen die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe früher als die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe deaktiviert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe auf den mindestens einen Zylinderkopf hin ausgerichtet ist.
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Ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von der Ausrichtung einer Öffnung die Rede, so wird damit auf den aus dieser Öffnung austretenden Einspritzstrahl bzw. Kraftstoffstrahl Bezug genommen.
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Vorliegend ist mindestens ein Einspritzstrahl der ersten Gruppe von Öffnungen auf den Zylinderkopf gerichtet, d. h. im Einzelfall auf ein Auslassventil bzw. eine Einlassöffnung des Zylinders. Dadurch wird die Verdampfung des Kraftstoffes unterstützt und die Gemischbildung beschleunigt. Eine via Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Luftströmung kann zusammen mit dem Einspritzstrahl für die Verteilung des Kraftstoffes im zylinderkopfseitigen Bereich des Brennraums sorgen. Gleichzeitig wird vermieden, dass der Kolbenboden mit Kraftstoff benetzt wird.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe senkrecht zur Kolbenlängsachse des zylinderzugehörigen Kolbens ausgerichtet ist. Es handelt sich um einen Grenzfall.
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Auch dabei kann mit der Einspritzung von Kraftstoff begonnen werden, sobald der Kolben die Einspritzvorrichtung bzw. deren Öffnungen auf dem Weg zum unteren Totpunkt passiert hat, ohne dass der Kolbenboden mit Kraftstoff benetzt wird.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe senkrecht zur Kolbenlängsachse des zylinderzugehörigen Kolbens ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung jedes Zylinders senkrecht zur Kolbenlängsachse des zylinderzugehörigen Kolbens ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die Einspritzvorrichtung jedes Zylinders zur Kolbenlängsachse des zylinderzugehörigen Kolbens geneigt ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung jedes Zylinders zur Kolbenlängsachse des zylinderzugehörigen Kolbens geneigt und auf den mindestens einen Zylinderkopf hin ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung über einen beweglichen Verschlusskörper verfügt, der zwangsgesteuert im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum mit einem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt, wobei der Verschlusskörper die Öffnungen zeitlich versetzt nacheinander freigibt, in der Art, dass bei einem sich vom oberen Totpunkt auf den unteren Totpunkt zu bewegenden Kolben zuerst die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe und zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe freigegeben wird.
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Der bewegliche Verschlusskörper trennt in einer Ruheposition die mindestens zwei Öffnungen vom Kraftstoffversorgungssystem, womit die Öffnungen deaktiviert werden bzw. sind. In einer ersten Arbeitsposition ist die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe bereits mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden, während die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe noch vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt ist. Wird der Verschlusskörper dann in eine zweite Arbeitsposition überführt, wird zusätzlich zu der mindestens einen Öffnung der ersten Gruppe die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbunden.
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Das Kraftstoffversorgungssystem kann eine Pumpe, ein Vorratsbehältnis, d. h. einen Kraftstoffspeicher, und/oder eine Kraftstoffleitung, beispielsweise die gemeinsame Versorgungsleitung eines Common-Rail-Systems, umfassen. Dass beim Aktivieren bzw. Deaktivieren regelmäßig auf das Verbinden mit bzw. auf das Trennen von dem Kraftstoffversorgungssystem abgestellt wird, ist dadurch begründet, dass zum Starten und Beenden des Einspritzvorganges die Öffnungen regelmäßig nicht im eigentlichen Sinne geöffnet bzw. geschlossen werden, sondern häufig nur mit der Kraftstoffversorgung verbunden bzw. von der Kraftstoffversorgung getrennt werden.
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Der Verschlusskörper, beispielsweise die kugelförmige Spitze einer Düsennadel, kann elektromagnetisch, piezoelektrisch oder auf andere Weise betätigt, d. h. bewegt und von einer Position in eine andere Position überführt werden, wobei der Verschlusskörper mehrere Arbeitspositionen einnehmen kann.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen der bewegliche Verschlusskörper translatorisch verschiebbar ist.
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Bei einer nach innen öffnenden Einspritzdüse kann beispielsweise eine Düsennadel translatorisch verschoben werden, um einen am brennraumseitigen Ende der Düsenadel angeordneten kugelartigen Verschlusskörper aus der Ruheposition in eine Arbeitsposition zu überführen. In der Arbeitsposition gibt der kugelartige Verschlusskörper die Öffnungen der ersten Gruppe und/oder die Öffnungen der zweiten Gruppe durch Verbinden mit dem Kraftstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine frei.
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Vorteilhaft sind im vorliegenden Zusammenhang Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der bewegliche Verschlusskörper im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Beenden des Einspritzvorganges deaktiviert, wobei der Verschlusskörper die Öffnungen zeitlich versetzt nacheinander deaktiviert, in der Art, dass zuerst die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe und zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe deaktiviert wird.
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Vorteilhaft sind im vorliegenden Zusammenhang auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der bewegliche Verschlusskörper im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Beenden des Einspritzvorganges deaktiviert, wobei der Verschlusskörper die Öffnungen zeitlich versetzt nacheinander deaktiviert, in der Art, dass bei einem sich vom unteren Totpunkt auf den oberen Totpunkt zu bewegenden Kolben zuerst die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe und zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe deaktiviert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse ist, welche die mindestens zwei Öffnungen aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Einspritzdüse mit einer in Richtung einer Längsachse in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, die im Rahmen einer Einspritzung mindestens zwei als Öffnungen fungierende Düsenlöcher zwecks Einbringen von Kraftstoff mit dem Kraftstoffversorgungssystem verbindet und damit freigibt.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen ein Verschlusskörper an einem freien Ende der Düsennadel angeordnet ist, wobei das freie Ende der Düsennadel das brennraumseitige Ende ist.
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Ist die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Einspritzdüse mit einem kugelförmigen Verschlusskörper ausgestattet ist.
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Ist die Einspritzvorrichtung eine Einspritzdüse können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Einspritzdüse mit einem balligen Verschlusskörper ausgestattet ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung zwei Einspritzdüsen umfasst, wobei eine erste Einspritzdüse die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe aufweist und eine zweite Einspritzdüse die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe aufweist. Für jede der beiden Einspritzdüsen gilt das bereits für Einspritzdüsen Gesagte.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Gruppen jeweils mindestens zwei Öffnungen umfassen bzw. mindestens eine Gruppe mindestens zwei Öffnungen umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Gruppen jeweils mindestens drei Öffnungen umfassen bzw. mindestens eine Gruppe mindestens drei Öffnungen umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Gruppen jeweils mindestens vier Öffnungen umfassen bzw. mindestens eine Gruppe mindestens vier Öffnungen umfasst.
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Die vorstehenden Ausführungsformen tragen dem Umstand Rechnung, dass die Anzahl der Öffnungen die Verteilung des eingebrachten Kraftstoffes im Brennraum des Zylinders und damit die Gemischbildung mit beeinflusst. Je mehr Öffnungen vorgesehen werden desto weiträumiger lässt sich der Kraftstoff im Brennraum verteilen und desto effektiver lässt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch homogenisieren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mit einer Zündeinrichtung zur Einleitung einer Fremdzündung ausgestattet ist.
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Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art werden im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Einbringens von Kraftstoff in den Brennraum aktiviert, wobei
- – zuerst die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe aktiviert wird, wenn der sich auf den unteren Totpunkt zu bewegende Kolben diese mindestens eine Öffnung passiert hat, um in einer ersten Phase des Einspritzvorganges einen zylinderkopfseitigen Bereich des Brennraums mit Kraftstoff zu versorgen, und
- – zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe aktiviert wird, um in einer zweiten Phase des Einspritzvorganges einen kolbenseitigen Bereich des Brennraums mit Kraftstoff zu versorgen.
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Vorteilhaft ist es, im Rahmen eines Einspritzvorganges die mindestens zwei Öffnungen zwecks Beenden des Einspritzvorganges zu deaktivieren, wobei die Öffnungen zeitlich versetzt nacheinander deaktiviert werden, in der Art, dass zuerst die mindestens eine Öffnung der zweiten Gruppe und zeitlich beabstandet die mindestens eine Öffnung der ersten Gruppe deaktiviert wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch und im Querschnitt das Fragment eines Zylinders einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Kolben in einer ersten Position, und
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1b schematisch und im Querschnitt den in 1a dargestellten Zylinder mit dem Kolben in einer zweiten Position.
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1a zeigt schematisch und im Querschnitt das Fragment eines Zylinders 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einem Kolben 5 in einer ersten Position. 1b zeigt den in 1a dargestellten Zylinder 1 mit dem Kolben 5 in einer zweiten Position.
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Der in den 1a und 1b dargestellte Zylinder 1 verfügt über zwei Auslassöffnungen 8 zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem, wobei sich an jede Auslassöffnung 8 eine Abgasleitung 8a anschließt und jede Auslassöffnung 8 mit einem Auslassventil 8b ausgestattet ist, um die Auslassöffnung 8 im Rahmen des Ladungswechsels freizugeben. Des Weiteren verfügt der Zylinder 1 über zwei Einlassöffnungen 7 zum Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem, wobei sich an jede Einlassöffnung 7 eine Ansaugleitung 7a anschließt und jede Einlassöffnung 7 mit einem Einlassventil 7b ausgestattet ist, um die Einlassöffnung 7 im Rahmen des Ladungswechsels freizugeben.
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Jeder Zylinder 1 der Brennkraftmaschine umfasst einen Brennraum 2, 2a, 2b, der durch den Kolbenboden 5a eines zylinderzugehörigen Kolbens 5, ein den Brennraum 2, 2a, 2b seitlich begrenzendes Zylinderrohr 4 und den Zylinderkopf 3 mit ausgebildet wird. Der Kolben 5 oszilliert bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine entlang einer Kolbenlängsachse 5b zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt.
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Jeder Zylinder 1 der Brennkraftmaschine ist im Bereich des Zylinderrohres 4 mit einer Einspritzvorrichtung 6 zum direkten Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 2, 2a, 2b ausgestattet. Vorliegend dient als Einspritzvorrichtung 6 eine Einspritzdüse 6a, die über fünf Öffnungen verfügt, welche im Rahmen eines Einspritzvorganges zum Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 2, 2a, 2b aktiviert, d. h. freigegeben werden.
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Die Öffnungen der Einspritzdüse 6a sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen. Die drei Öffnungen einer ersten Gruppe, d. h. die aus diesen Öffnungen austretenden Einspritzstrahlen bzw. Kraftstoffstrahlen 6b, sind nicht auf den Kolbenboden 5a des zylinderzugehörigen Kolbens 5 ausgerichtet, wohingegen die zwei Öffnungen einer zweiten Gruppe, d. h. die aus diesen Öffnungen austretenden Einspritzstrahlen bzw. Kraftstoffstrahlen 6b, auf den Kolbenboden 5a des zylinderzugehörigen Kolbens 5 ausgerichtet sind. Dabei wird Bezug genommen auf die in 1a dargestellte Position des Kolbens 5, d. h. auf eine Position des Kolbens 5, in der der Brennraum 2, 2a, 2b für die Öffnungen der Einspritzdüse 6a zugänglich ist und der Kolben 5 sich gleichzeitig möglichst nahe am oberen Totpunkt befindet.
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Zwei Öffnungen der ersten Gruppe sind auf den Zylinderkopf 3 ausgerichtet und zwar auf die Auslassöffnungen 8 des Zylinders 1, wohingegen eine Öffnung der ersten Gruppe senkrecht zur Kolbenlängsachse 5b des zylinderzugehörigen Kolbens 5 ausgerichtet ist, wie in 1a dargestellt.
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Die zwei Gruppen von Öffnungen werden im Rahmen eines Einspritzvorganges zeitlich versetzt aktiviert, d. h. nacheinander für das Einbringen von Kraftstoff freigegeben, wobei die Öffnungen der ersten Gruppe früher als die Öffnungen der zweiten Gruppe aktiviert werden.
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Die Öffnungen der ersten Gruppe werden aktiviert, sobald der sich auf den unteren Totpunkt zu bewegende Kolben 5 diese Öffnungen passiert hat, um in einer ersten Phase des Einspritzvorganges einen zylinderkopfseitigen Bereich 2a des Brennraums 2, 2a, 2b mit Kraftstoff zu versorgen (siehe 1a).
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Zeitlich beabstandet werden die Öffnungen der zweiten Gruppe aktiviert, um in einer zweiten Phase des Einspritzvorganges einen kolbenseitigen Bereich 2b des Brennraums 2, 2a, 2b mit Kraftstoff zu versorgen (siehe 1b).
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Zum Beenden des Einspritzvorganges werden die Öffnungen der Einspritzdüse 6a vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt, aber nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt nacheinander. Dabei werden die Öffnungen der zweiten Gruppe früher als die Öffnungen der ersten Gruppe deaktiviert, d. h. vom Kraftstoffversorgungssystem getrennt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Brennraum
- 2a
- zylinderkopfseitiger Bereich des Brennraums
- 2b
- kolbenseitiger Bereich des Brennraums
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Zylinderrohr
- 5
- Kolben
- 5a
- Kolbenboden
- 5b
- Kolbenlängsachse
- 6
- Einspritzvorrichtung
- 6a
- Einspritzdüse
- 6b
- Einspritzstrahlen, Kraftstoffstrahlen
- 7
- Einlassöffnung
- 7a
- Ansaugleitung
- 7b
- Einlassventil
- 8
- Auslassöffnung
- 8a
- Abgasleitung
- 8b
- Auslassventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5421301 [0019, 0020, 0021]
