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Die
Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine
der im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Bei
direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen ist ein Brennraum
in jedem Zylinder von einem längsbeweglichen
Kolben und der Innenwand eines Zylinderkopfes begrenzt, wobei ein
Injektor Kraftstoff zur inneren Gemischbildung mit separat zugeführter Verbrennungsluft
in den Brennraum einspritzt. 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.
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Aus
der
DE 195 46 945
A1 ist eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine bekannt,
deren Injektoren mit ihren Einspritzdüsen den Kraftstoff kegelförmig in
den Brennraum einspritzen, wobei die Zündkerze derart angeordnet ist,
dass ihre Elektroden außerhalb
der Mantelfläche
des von der Einspritzdüse 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 Kraftstoffes
entgegengewirkt. Die Elektroden sind über einen langen Betriebszeitraum
von Verkokungen frei, wodurch ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Brennkraftmaschine
ohne Zündaussetzer
gewährleistet
sein soll. Um zündfähiges Gemisch zwischen
die außer halb
des Kraftstoffkegels angeordneten Elektroden zu bringen, ist die
Zündkerze derart
angeordnet, dass die Masseelektrode mit einem geringen Abstand zur
Mantelfläche
des Kraftstoffkegels liegt und die Innenwand des Zylinderkopfes
parallel zur Mantelfläche
des Kraftstoffkegels verläuft
unter Ausbildung eines Zwischenraumes zumindest an derjenigen Stelle,
an der die Elektroden der Zündkerze
angeordnet sind.
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In
dem Zwischenraum soll sich eine Wirbelströmung ergeben, welche aus Kraftstoff/Luft-Gemisch
besteht und in den Bereich der Elektroden reicht. Um die Wirbelströmung zu
generieren, 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 zwischen dem
Kraftstoffkegel und der parallelen, ebenso kegelförmigen Innenwand
des Zylinderkopfes Luft zurückströmen, 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 angeordnet sein.
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Bei
der bekannten direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine muss
die Brennraumbegrenzung insbesondere durch die Innenwand des Zylinderkopfes
mit hohem Aufwand präzise
gestaltet werden, um die gewünschten
strömungstechnischen
Effekte zur Bildung der zündfähigen Gemischwirbel
zu erreichen. Die bekannte Brennraumkonfiguration mit der zur Gemischwirbelbildung
erforderlichen Brennraumform und der zwangsläufig injektornah angeordneten
Zündkerze
kann oftmals einen optimalen Verbrennungsvorgang nicht erreichen
und das gewünschte
Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine gewährleisten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die direkteinspritzende
Otto-Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art derart auszubilden,
dass die Brennkraftmaschine mit optimalem Betriebsverhalten arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration
wird der Kraftstoffkegel in einem von der Brennraumbegrenzung nahezu
unbeeinflussten Freistrahl eingespritzt, d. h. der Kraftstoffkegel
wird in einem derartig großen
Abstand, insbesondere 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 hervortretende Kraftstoffwirbel, welche zunächst hauptsächlich aus
Kraftstoffdampf bestehen und sich mit der umliegenden Verbrennungsluft
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 Kraftstoffstrahl mitgerissener Luft entsteht, wobei in entgegengesetzter
Richtung durch den entstehenden Unterdruck ebenfalls 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.
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Der
Kraftstoffwirbel, welcher zündfähiges Gemisch
zwischen die Elektroden bringt, bildet sich an der Mantelfläche des
Freistrahls ohne wirksamen Einfluss von der Brennraumbegrenzung
aus, so dass die Brennraumform frei gestaltbar ist. Es liegt ein
so genanntes 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 Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine, wenn
mit Kraftstoffeinspritzung während
des Kompressionshubes gearbeitet wird und bei luftgefülltem Brennraum
eine zentrale Kraftstoffwolke gebildet wird, kann so mit einer einfachen
Brennraumgestaltung ein optimales Durchbrennen der Brennraumladung
erreicht 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 Zeitintervall unabhängig vom Einspritzpunkt erfolgen
kann.
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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
Kompressionsphase während
des Schichtladungsbetriebes. Besonders einfach ist der Kraftstoffkegel
mit Hohlkegelform ausbildbar, wenn der Injektor eine nach außen öffnende Einspritzdüse aufweist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige Zeichnungsfigur zeigt eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine 1,
in deren Zylinder 2 ein Kolben 3 längsbeweglich
angeordnet ist und mit der Innenwand 15 eines auf den Zylinder 2 aufgesetzten
Zylinderkopfes 5 einen Brennraum 4 begrenzt. Im
Zylinderkopf 5 ist ein Kraftstoff injektor 6 angeordnet,
welcher zentral auf der Zylindermittelachse 14 liegend
Kraftstoff auf den Kolben 3 gerichtet direkt in den Brennraum 4 einspritzt.
Die zur inneren Gemischbildung erforderliche Verbrennungsluft wird durch
einen Einlasskanal 13 dem Brennraum 4 zugeführt. Im
Zylinderkopf 5 ist weiter eine Zündkerze 7 angeordnet,
deren Elektroden 12 in den Brennraum 4 einragen,
wobei zum Zündzeitpunkt
ein Zündfunke zwischen
den Elektroden 12 ausgelöst wird, welcher beim Überspringen
zündfähiges Gemisch
im Brennraum 4 durchschlägt.
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Der
Injektor 6 weist eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 auf,
welche einen sich zum Kolben erweiternden, hohlkegelförmigen 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.
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Der
Injektor wird piezoelektrisch betätigt, wobei die Einspritzdüse 11 von
einem Piezoelement schnell und präzise einstellbar freigegeben
und geschlossen wird. Durch die entsprechende Wahl der Einspritzzeit
und deren präzise
Einhaltung während des
Arbeitsspiels mittels der piezoelektrischen Betätigung des Injektors wird die
Ausbildung der gewünschten
Freistrahlform des Kraftstoffkegels gefördert.
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Die
Brennkraftmaschine arbeitet in weiten Kennfeldbereichen im Schichtladungsbetrieb,
wobei der Kraftstoff während
des Kompressionstaktes des Zylinders 2 eingespritzt wird.
Aufgrund der späten Kraftstoffeinspritzung
während
des Arbeitsspiels entsteht eine geschichtete Brennraumladung mit örtlich unterschiedlichen
Kraftstoffkonzentrationen, wobei sich außerhalb des Kraftstoffkegels 8 sehr
mageres Gemisch bildet bzw. reine Luft befindet.
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Um
zündfähiges Gemisch
zwischen die Elektroden 12 der Zündkerze 7 zu bringen,
weist die Brennkraftmaschine eine der artige Brennraumkonfiguration
auf, dass der Kraftstoffkegel 8 in einem von der Brennraumbegrenzung
durch die Zylinderkopf-Innenwand 15 weitgehend
unbeeinflussten Freistrahl eingespritzt 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 Mantelfläche 9 herausragen.
Der Öffnungswinkel α des Kraftstoffkegels 8 beträgt zwischen
70° und
100°, wobei sich
die Kraftstoffwirbel 10 am Kegelrand besonders ausgeprägt ergeben.
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Die
Kraftstoffwirbel 10 entstehen aufgrund einer Luftströmung 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 vermischen
sich dort mit der Verbrennungsluft.
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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
geschützt
befinden, kann so mit den bei Freistrahleinspritzung vorliegenden
Kraftstoffwirbeln 10 zündfähiges Gemisch
an der Zündkerze 7 bereitgestellt
werden.
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Die
Kraftstoffwirbel 10 bilden sich nahezu unabhängig von
der Brennraumform aus und die Innenwand 15 des Zylinderkopfes 5 kann
daher beliebig gestaltet werden. Der Einspritzfreistrahl ist hohlkegelförmig, wodurch
ein hoher Anteil der gesamten Kraftstoff-Einspritzmenge in der Mantelfläche 9 des Kegelstrahls 8 geführt wird
und so von den Kraftstoffwirbeln 10 erfassbar ist. Der
Zündzeitpunkt
kann in einem weiten Bereich im Wesentlichen unabhängig vom
Einspritzzeitpunkt variiert und bedarfsweise eingestellt werden,
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 vorliegt.
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Aufgrund
der Stabilität
der Kraftstoffwirbel 10 und des zur Zündung bereitstehenden langen
Zeitraumes kann die Zündkerze 7 relativ
weit vom Injektor 6 entfernt im Zylinderkopf angeordnet
werden, wodurch sich die Brennraumkonfiguration und die konstruktive
Gestaltung des Zylinderkopfes 5 wesentlich vereinfacht.
Der Abstand der Funkenlage entsprechend 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 Betriebsverhalten
im jeweiligen Einsatzfall der direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1 gewählt.