EP1573191A1 - Direkteinspritzende otto-brennkraftmaschine - Google Patents

Direkteinspritzende otto-brennkraftmaschine

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Publication number
EP1573191A1
EP1573191A1 EP03779929A EP03779929A EP1573191A1 EP 1573191 A1 EP1573191 A1 EP 1573191A1 EP 03779929 A EP03779929 A EP 03779929A EP 03779929 A EP03779929 A EP 03779929A EP 1573191 A1 EP1573191 A1 EP 1573191A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
piston
injection
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03779929A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benedikt Ganz
Jean-François GAUDRY
Hans Hartmann
Rolf Klenk
Andreas Mlejnek
Klaus Rössler
Helmut Scheffel
Dirk Strubel
Matthias Zahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1573191A1 publication Critical patent/EP1573191A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B2023/103—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector having a multi-hole nozzle for generating multiple sprays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/12—Other methods of operation
    • F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a direct-injection gasoline engine with an injector per cylinder for fuel injection into a combustion chamber of the type specified in the preamble of claim 1 and a method for operating such an internal combustion engine with the features of claim 10.
  • the fuel / air mixture to be burned for driving the piston is formed in the combustion chamber of each cylinder from fuel injected directly into the combustion chamber with combustion air supplied separately through inlet channels.
  • the fuel / air mixture is to be ignited by the ignition spark of a spark plug protruding into the combustion chamber and therefore an ignitable mixture is to be provided on the electrodes of the spark plug.
  • stratified charge operation a layered mixture cloud with an ignitable fuel concentration can be formed by late fuel injection during the working cycle of the respective cylinder, with an overall lean mixture in the entire combustion chamber volume. Operation with a stratified mixture leads to a reduction in fuel consumption and pollutant emissions from the internal combustion engine.
  • the fuel is usually injected into the combustion chamber in a cone jet, a cone-shaped fuel cloud with the combustion air is formed.
  • a cone jet a cone-shaped fuel cloud with the combustion air is formed.
  • the mixture formation strongly depends on the ignitable quality of the mixture of the fuel cloud in the area of the spark plug.
  • so-called multi-hole injectors are known, the injection nozzle of which is provided with a plurality of injection holes distributed over its circumference.
  • DE 198 04 463 A1 discloses such a multi-hole injector, in which at least one row of injection holes distributed over the circumference of the injection nozzle is provided, in order to implement a jet-guided combustion process by forming the mixture cloud by targeted injection of fuel via the injection holes.
  • the geometric shape of the combustion chamber is influenced by a recessed piston recess in the piston crown of the piston.
  • the piston bowl is located approximately opposite the injection nozzle and represents the remaining volume of the combustion chamber in which the injected fuel is located in the area of the top dead center of the piston movement.
  • DE 199 22 964 AI discloses a geometric design of the piston bowl to improve the mixture formation with conically injected fuel.
  • the geometric shape of the combustion chamber plays a key role in the quality of the mixture formation, particularly in the case of self-igniting diesel engines.
  • the known combustion chamber design has a so-called omega piston bowl, in which the fuel is directed into the outer peripheral areas of the circular piston bowl by a central elevation at the bottom of the piston bowl, in order to contribute to the formation of the fuel / air mixture there.
  • the present invention is based on the object of designing the internal combustion engine in such a way that fuel wetting of the piston during the injection is excluded even during operation with late fuel injection.
  • the piston bowl is expanded with a plurality of radial cavities hollowed out in the piston crown in the radial direction of the piston.
  • the radial cavities are distributed over the circumference of the piston recess in such a way that a cavity for receiving the respective fuel jet of this injection hole is assigned to each injection hole of the injector.
  • the individual jets of the injected fuel which also emanate from the injector with radial components within the cone jet, are received in the radial cavities and are kept away from the surface of the piston crown.
  • the inventive design of the piston bowl with additional radial cavities precludes wetting of the piston surface with fuel and thus reduces the pollutant emission of the internal combustion engine.
  • the hollow of the piston crown with radial cavities for receiving the fuel jets of the multi-hole injector allows a free design of the fuel injection in the jet-guided mixture formation process and also allow larger opening angles of the cone jet. If necessary, the fuel can be injected at an opening angle of approximately 130 ° of the cone formed from the fuel jets of all injection holes of the multi-hole injector.
  • the opening cone is preferably 75 ° to 85 °.
  • the stratified fuel metering forms a stratified mixture with locally different fuel concentrations (stratified charge operation) at least in lower load areas of the internal combustion engine, with fuel metering being provided at a later point in time than approximately 50 ° crank angle before top dead center during the compression stroke.
  • the fuel / air mixture is advantageously ignited at the latest 10 ° crank angle after the end of the fuel injection of the multi-hole injector.
  • the radial cavities absorb the respective fuel jet from the individual injection holes of the injector and extend the distance of the piston bowl from the respective injection hole and therefore allow fuel injection at a high pressure of more than 80 bar.
  • the fuel is preferably injected at more than 160 bar.
  • a radial cavity is advantageously provided per injection hole of the injector, into which the fuel jet of the respective injection hole is directed and the injected fuel is mixed with the combustion air.
  • the radial cavities are distributed in a rotationally symmetrical manner on the circumference of the piston recess.
  • a piston with a piston recess designed in this way can interact with multi-hole injectors of different number of holes, which are evenly distributed around the circumference of the multi-hole nozzle and is an integral multiple of the number of rotationally symmetrical radial cavities.
  • the number of injection holes on the circumference of the injection nozzle is coordinated with the number of radial cavities for expanding the piston recess, a radial cavity being assigned to each injection hole.
  • an angle of rotation-oriented installation position of the injector can also be provided, for example with a locally different fuel concentration in the cone jacket of the cone jet for the purpose of enriching the fuel in the area of the spark plug, wherein a design of the radial cavities taking into account the angle of rotation orientation of the injector is possible ,
  • the piston trough with the radial cavities in the piston is bulged radially beyond an edge of the piston trough lying at the level of the piston crown, as a result of which the radial cavities partially extend below the overlap of the piston crown in the manner of a cavern.
  • the piston bowl is advantageously formed with a central elevation from its base, which can be conical in order to actively support the mixture formation in the radial cavities.
  • the radial cavities diametrically opposite one another at the edge of the piston recess have an approximately omega-shaped cross section.
  • FIG. 2 is a sectional view of an injection nozzle
  • Fig. 3 is a plan view of a piston crown with a piston bowl formed thereon.
  • the internal combustion engine 1 shown in section in FIG. 1 comprises a plurality of cylinders 2, in which a reciprocating piston 3 is arranged to move longitudinally in a manner known per se and delimits a combustion chamber 4 with its piston crown 5.
  • the cylinder 2 is closed by a cylinder head 9, in which an injector 8 for the direct injection of fuel into the combustion chamber 4 is accommodated.
  • an injector 8 for the direct injection of fuel into the combustion chamber 4 is accommodated.
  • at least one inlet valve is also provided, through which fresh gas is led into the combustion chamber 4 when the charge is changed to form an ignitable fuel / air mixture with the fuel injected from the injector 8.
  • the fuel / air mixture is ignited by a spark plug 10.
  • the injector 8 is arranged in the central position of the combustion chamber 4 on a cylinder axis 7 of the cylinder 2 and, with its injection nozzle protruding into the combustion chamber 4, conically injects the fuel into the combustion chamber.
  • a cone-shaped mixture cloud 14 is formed with the combustion air, the electrodes of the spark plug 10 being located in the jacket region of the cone-shaped fuel cloud 14.
  • Stratified charge operation is provided in the lower load ranges of the internal combustion engine, the fuel being injected at a late point in time shortly before the mixture is ignited. There are local differences in the fuel concentration in the combustion chamber, and if the mixture is lean overall, a fuel-rich and ignitable mixture can be provided on the electrodes of the spark plug 10.
  • the injection nozzle 11 of the injector 8 is equipped with a plurality of injection holes on its circumference, through which individual fuel jets enter the combustion chamber 4 during an injection process.
  • the injection nozzle 11 is preferably designed as a so-called seat hole nozzle, as shown in FIG. 2.
  • the injector 8 has an inwardly opening valve needle 18.
  • the Valve member 18 closes the fuel chamber, which has access to the outside through injection holes 12 on the circumference of nozzle 11.
  • fuel is made available for injection under a high pressure of preferably more than 160 bar.
  • the injection holes 12 are designed as channels in the wall of the injection nozzle 11 such that each fuel jet from an injection hole is emitted at an angle to the longitudinal axis 7.
  • the individual fuel jets form the cladding of a cone jet.
  • FIG. 2 shows an injector 8, on the injector tip 19 of which a conically tapered injection nozzle 11 is formed, on the circumference of which there are provided evenly distributed injection holes 12.
  • injection holes 12 preferably have a diameter of less than 140 ⁇ m.
  • a ratio of the length of the injection holes L to the diameters D of L / D ⁇ 3 is considered advantageous; the ratio preferably relates to approximately 2.
  • the internal mixture formation and fuel distribution can be supported by suitable air movement in the combustion chamber.
  • the intake air can be controlled by swirling about the cylinder axis by appropriate design of the intake ducts 7 or tumble movements in the plane of the injector axis 7 can be controlled.
  • a piston recess 6 is provided in the piston crown 5 of the piston 3 shown in section in FIG. 1, which is recessed in a central position opposite the injection nozzle 11.
  • the piston recess 6 is expanded with radial cavities 16, as shown in FIG. 3.
  • the radial cavities 16 hollowed out in the piston crown 5 are distributed over the circumference of the piston recess 6 such that a cavity 16 for receiving the respective fuel jet 13 is assigned to each injection hole 12 of the injector 8.
  • each cavity 16 is provided for an injector with eight injection holes, which, according to the uniform arrangement of the injection holes on the circumference of the nozzle, are arranged rotationally symmetrically on the circumference of the piston recess 6.
  • the radial cavities 16 extend in the radial direction up to a common radius 22, the radius R ⁇ of which is approximately 0.6 to 0.9 times, preferably 0.8 times the radius R z of the piston 3 or the cylinder 2.
  • the radial cavities 16 widen the piston recess 6, which extends on the circumference 21, in sections in the area of the fuel jets of the injector, as a result of which a longer distance is available for each fuel jet 13 even when the piston is near the injector and counteracts wetting of the piston surface.
  • the radial cavities 16 are preferably bulged in the piston 3 such that the piston recess 6 extends radially in the area of the cavities within the piston 3 beyond an edge 17 located at the level of the piston crown 5.
  • the radial cavities for receiving the respective fuel jets lie inside the piston in the manner of a cavern 3 below the piston surface.
  • the piston bowl 6 is advantageously designed with a depth of at least 5 mm and has a central elevation 15, which conically shapes the base of the piston bowl 6 and contributes to guiding the mixture cloud during the mixture formation into the radial cavities 16.
  • the radial cavities 16 of the piston recess 6 according to the invention on the one hand prevent the wetting of the piston surface with fuel, so that even very late fuel injections in stratified charge operation are possible and the quality of the mixture formation can be increased.
  • the radial cavities 16 according to the invention contribute in the radial direction to the beam propagation of the injector cone beam to maintain the compression ratio of the respective internal combustion engine, which is required by design.
  • the compression ratio is advantageously between 10 and 13 for naturally aspirated engines and between 8.5 and 11 for supercharged internal combustion engines.
  • the formation of the piston surface with radial cavities in the piston recess allows a free choice of the opening angle of the cone jet of the injector 8 with regard to the quality of combustion to be achieved.
  • a beam angle between the individual steel axes of the fuel jets measured in the injector axis of 60 ° to 130 ° can be freely selected, an opening angle of the cone beam of 75 ° to 85 ° being seen as advantageous.
  • the injector can be equipped with heating elements for preheating fuel or also have devices for supplying different types of fuel (bi-fuel valve), for example for supplying volatile starting fuel for the cold start.
  • bi-fuel valve supplying different types of fuel
  • a ratio of the diam. water of the injection valve for the cylinder bore from 0.3 to 0.38 and a ratio of the diameter of the exhaust valve to the cylinder bore from 0.28 to 0.32 for expedient.
  • the inlet valves and the outlet valves are advantageously in a ratio of 1.02 to 1.1 to one another.
  • a high injection pressure of advantageously more than 160 bar, an exact and very late fuel metering can take place, since the radial cavities according to the invention prevent wetting of the piston surface even at a high pressure.
  • the diametrically opposed cavities 16 in the piston recess 6 form an omega shape, which contributes to the preparation of the fuel jet injected into the respective radial cavity 6.
  • a ratio of the channel length of the injection holes 12 shown in FIG. 2 to the injection pressure should be less than 0.25 x 10 "9 / Pa.
  • the spark plug is expediently positioned between two fuel jets 13 of the injector.
  • the spark plug should be between the exhaust valves.
  • the spark plug can be installed with an angle-oriented mass electrode, and several spark plugs and in particular an AC voltage ignition system with variable spark duration can also be used to stabilize the ignition.
  • the combustion chamber geometry according to the invention with radial cavities for expanding the piston bowl and receiving the individual fuel jets 13 of a multi-hole injector 8 allows a very late fuel injection and rapid ignition of the fuel / air mixture at the latest 10 ° crank angle after the end of the fuel injection without wetting the piston.

Abstract

Bei einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine mit pro Zylinder (2) einem Injektor (8) zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum (4) weist der Injektor (8) eine Einspritzdüse (11) mit mehreren über ihren Umfang verteilten Einspritzlöchern (12) auf, deren Kraftstoffstrahlen (13) bei einem Einspritzvorgang eine kegelförmige Kraftstoffwolke (14) mit separat zuführbarer Verbrennungsluft bilden. In einem Kolbenboden (5) des Kolbens (3) kann zur Verbesserung der Brennraumgeometrie eine gegenüber der Einspritzdüse (11) liegende Kolbenmulde (6) zur Erweiterung des Brennraumes (4) vorgesehen sein. Um insbesondere bei später Einspritzung in einem Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine einer Kraftstoffbenetzung des Kolbens entgegenzuwirken, ist erfindungsgemäss eine Kolbenmulde (6) vorgesehen, welche mit mehreren im Kolbendoden (5) ausgehöhlten Radialkavitäten (16) zur Aufnahme eingespritzten Kraftstoffs radial erweitert ist.

Description

Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto- Brennkraftmaschine mit pro Zylinder einem Injektor zur Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen wird im Brennraum jedes Zylinders das zum Antrieb des Kolbens zu verbrennende Kraftstoff/Luft-Gemisch aus direkt in den Brennraum eingespritztem Kraftstoff mit separat durch Einlaßkanäle zugeführter Verbrennungsluft gebildet. Bei fremdgezündeten Otto-Brennkraftmaschinen ist das Kraftstoff/Luft-Gemisch durch den Zündfunken einer in den Brennraum einragenden Zündkerze zu zünden und daher an den Elektroden der Zündkerze zündfähiges Gemisch bereitzustellen. In einem Schichtladungsbetrieb kann dabei durch späte Kraftstoffeinspritzung während des Arbeitsspiels des jeweiligen Zylinders eine geschichtete Gemischwolke mit zündfähiger Kraftstoffkonzentration gebildet werden bei insgesamt magerem Gemisch im gesamten Brennraumvolumen. Der Betrieb mit geschichtetem Gemisch führt dabei zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine. Um die Zündfähigkeit des Gemisches im Bereich der Zündkerze insbesondere im Schichtladungsbetrieb sicherzustellen, wird der Kraftstoff meistens in einem Kegelstrahl in den Brennraum eingespritzt, wobei eine kegelförmige Kraftstoffwolke mit der Verbrennungs- luft gebildet wird. Bei einem sogenannten strahlgeführten Brennverfahren hängt die Gemischbildung stark von der zündfähigen Qualität des Gemisches der Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze ab. Um eine stabile Gemischbildung und Zündung des Gemisches bei einem strahlgeführten Brennverfahren durch eine wohl konfigurierte, kegelförmige Kraftstoffwölke zu gewährleisten, sind sogenannte Mehrlochinjektoren bekannt, deren Einspritzdüse mit mehreren, über ihren Umfang verteilten Einspritzlöchern versehen ist.
Die DE 198 04 463 AI offenbart einen solchen Mehrlochinjektor, bei dem wenigstens eine Reihe von über den Umfang der Einspritzdüse verteilten Einspritzlöchern vorgesehen ist, um durch eine gezielte Einspritzung von Kraftstoff über die Ein- spritzlδcher ein strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung der Gemischwolke zu realisieren.
Die geometrische Form des Brennraumes wird beeinflußt durch eine im Kolbenboden des Kolbens ausgesparte Kolbenmulde. Die Kolbenmulde liegt dabei etwa gegenüber der Einspritzdüse und stellt im Bereich des oberen Totpunktes der Kolbenbewegung das Restvolumen des Brennraumes dar, in dem sich der eingespritzte Kraftstoff befindet. Die DE 199 22 964 AI offenbart eine geometrische Gestaltung der Kolbenmulde zur Verbesserung der Gemischbildung mit kegelförmig eingespritztem Kraftstoff. Insbesondere bei selbstzündenden Dieselbrennkraftmaschinen hat die geometrische Brennraumform maßgeblichen Anteil an der Qualität der Gemischbildung. Die bekannte Brennraumgestaltung weist dabei eine sogenannte Omega-Kolbenmulde auf, bei der der Kraftstoff durch eine zentrale Anhebung am Grund der Kol- benmulde in die außenliegenden Randbereiche der kreisförmigen Kolbenmulde gerichtet wird, um dort zur Bildung des Kraftstoff/Luft-Gemisches beizutragen .
Bei direkteinspritzenden Otto-Motoren mit Fremdzündung wird bei der Verwendung von Mehrlochinjektoren bei der inneren Gemischbildung der Kraftstoff möglichst spät während des Korn- pressionshubes des Kolbens eingespritzt, um einen größtmöglichen Schichtungsgrad der Gemischwolke zu erreichen. Im Betrieb solcher Brennkraftmaschinen wird immer wieder festgestellt, daß die Schadstoffemission unerwünscht hoch liegt und auch die Kolbenoberfläche zu Verkokungen neigt. Solche Erscheinungen beruhen auf einer Benetzung der Kolbenoberfläche mit dem eingespritzten Kraftstoff, welche trotz des zum Einspritzzeitpunkts hohen Innendrucks des Zylinders in Folge des geringen Abstandes zwischen Injektor und Kolbenboden nicht zu vermeiden ist .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß auch bei einem Betrieb mit später Kraftstoffeinspritzung eine Kraftstoffbenetzung des Kolbens bei der Einspritzung ausgeschlossen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Außerdem wird ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist die Kolbenmulde mit mehreren im Kolbenboden ausgehöhlten Radialkavitäten in radialer Richtung des Kolbens erweitert . Die Radialkavitäten sind dabei derart über den Umfang der Kolbenmulde verteilt, daß jedem Einspritzloch des Injektors eine Kavität zur Aufnahme des jeweiligen KraftstoffStrahls dieses Einspritzloches zugeordnet ist. Bei der Kraftstoffeinspritzung werden die innerhalb des Kegelstrahls auch mit radialen Komponenten vom Injektor ausgehenden Einzelstrahlen des eingespritzten Kraftstoffes in den Radialkavitäten aufgenommen und werden von der Oberfläche des Kolbenbodens ferngehalten. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Kol- benmulde mit zusätzlichen Radialkavitäten schließt eine Benetzung der Kolbenoberfläche mit Brennstoff aus und verringert so die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine. Die Aushöhlung des Kolbenbodens mit Radialkavitäten zur Aufnahme der Kraftstoffstrahlen des Mehrlochinjektors erlauben dabei eine freie Gestaltung der Kraftstoffeinspritzung beim strahl - geführten Gemischbildungsverfahren und gestatten auch größere Öffnungswinkel des Kegelstrahls. Dabei kann der Kraftstoff bedarfsweise an einem Öffnungswinkel des aus den Kraftstoff- strahlen aller Einspritzlöcher des Mehrlochinjektors gebildeten Kegels von etwa 130° eingespritzt werden. Der Öffnungskegel beträgt vorzugsweise 75° bis 85°.
Die Erweiterung der Kolbenmulde mit Radialkavitäten und der damit erreichte Ausschluß jeglicher Benetzung der Kolbenoberfläche mit Kraftstoff ermöglicht sehr späte Einspritzzeitpunkte während des Kompressionstaktes. Erfindungsgemäß wird wenigstens in unteren Lastbereichen der Brennkraftmaschine durch die späte Kraftstoffzumessung ein geschichtetes Gemisch mit örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentrationen gebildet (Schichtladungsbetrieb) , wobei ein Beginn der Kraftstoffzumessung zu einem späteren Zeitpunkt als etwa 50° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt während des Kompressions- taktes vorgesehen ist. Vorteilhaft erfolgt die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches spätestens 10° Kurbelwinkel nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung des Mehrlochinjektors. Die Radialkavitäten nehmen den jeweiligen Kraftstoffstrahl der einzelnen Spritzlöcher des Injektors in sich auf und verlängern die Entfernung der Kolbenmulde von dem jeweiligen Einspritzloch und erlauben daher eine Kraftstoffeinspritzung mit einem hohen Druck von mehr als 80 bar. Vorzugsweise wird der Kraftstoff mit mehr als 160 bar eingespritzt.
Vorteilhaft ist pro Einspritzloch des Injektors eine Radial - kavität vorgesehen, in welche der Kraftstoffstrahl des jeweiligen Einspritzloches gerichtet ist und der eingespritzte Kraftstoff mit der Verbrennungsluft gemischt wird. In bevorzugter Gestaltung der Erfindung werden die Radialkavitäten drehsymmetrisch am Umfang der Kolbenmulde verteilt. Ein Kolben mit einer derartig ausgestalteten Kolbenmulde kann mit Mehrlochinjektoren verschiedener Lochanzahl zusammenwirken, welche gleichmäßig am Umfang der Mehrlochdüse verteilt sind und ein ganzteiliges Vielfaches der Anzahl der drehsymmetrischen Radialkavitäten beträgt. In bevorzugter Ausgestaltung wird die Anzahl der Einspritzlöcher am Umfang der Einspritzdüse mit der Anzahl der Radialkavitäten zur Erweiterung der Kolbenmulde abgestimmt, wobei jedem Einspritzloch eine Radi- alkavität zugeordnet wird. Dabei kann auch eine Drehwinkel- orientierte Einbaulage des Injektors vorgesehen sein, beispielsweise mit einer örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentration im Kegelmantel des Kegelstrahls zum Zwecke der Anreicherung des Kraftstoffes im Bereich der Zündkerze, wobei eine auf der Drehwinkel-Orientierung des Injektors Rechnung tragende Gestaltung der Radialkavitäten möglich ist.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Kolbenmulde mit den Radialkavitäten im Kolben radial über einen auf Höhe des Kol- benbodens liegenden Rand der Kolbenmulde hinaus ausgebaucht, wodurch sich die Radialkavitäten nach Art einer Kaverne teilweise unterhalb der Überdeckung des Kolbenbodens erstreckt. Die Kolbenmulde wird dabei vorteilhaft mit einer zentralen Erhebung von ihrem Grund ausgebildet, welche kegelförmig ausgestaltet sein kann, um die Gemischbildung in den Radialkavitäten aktiv zu unterstützen. Die diametral am Rand der Kol- benmulde gegenüberliegenden Radialkavitäten weisen dabei einen etwa Omega-förmigen Querschnitt auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert .
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Zylinders einer Otto- Brennkraftmaschine,
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht einer Einspritzdüse, Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Kolbenboden mit daran ausgebildeter Kolbenmulde.
Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Brennkraftmaschine 1 umfaßt mehrere Zylinder 2, in denen in an sich bekannter Weise ein Hubkolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und mit seinem Kolbenboden 5 einen Brennraum 4 begrenzt. Der Zylinder 2 ist von einem Zylinderkopf 9 verschlossen, in dem ein Injektor 8 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 4 aufgenommen ist. In dem Zylinderkopf 9 ist außerdem mindestens ein Einlaßventil vorgesehen, durch das beim Ladungswechsel Frischgas in den Brennraum 4 geführt wird zur Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch mit dem vom Injektor 8 eingespritzten Kraftstoff. Das Kraftstoff/Luft- Gemisch wird von einer Zündkerze 10 gezündet. Der Injektor 8 ist in zentraler Lage des Brennraumes 4 auf einer Zylinderachse 7 des Zylinders 2 angeordnet und spritzt mit seiner in den Brennraum 4 ragenden Einspritzdüse den Kraftstoff kegelförmig in den Brennraum ein. Mit der Verbrennungsluft wird dabei eine kegelförmige Gemischwolke 14 gebildet, wobei sich die Elektroden der Zündkerze 10 im Mantelbereich der kegelförmigen Kraftstoffwölke 14 befinden. In unteren Lastbereichen der Brennkraftmaschine ist ein Schichtladungsbetrieb vorgesehen, wobei der Kraftstoff zu einem späten Zeitpunkt kurz vor der Zündung des Gemisches eingespritzt wird. Dabei liegen im Brennraum örtliche Unterschiede der Kraftstoffkon- zentration vor und bei insgesamt magerem Gemisch kann an den Elektroden der Zündkerze 10 kraftstoffreiches und zündfähiges Gemisch bereitgestellt werden.
Zur Erzeugung des Kegelstrahls ist die Einspritzdüse 11 des Injektors 8 mit mehreren Einspritzlöchern an ihrem Umfang ausgestattet, durch die bei einem Einspritzvorgang einzelne Kraftstoffstrahlen in den Brennraum 4 gelangen. Die Einspritzdüse 11 ist dabei vorzugsweise als sogenannte Sitzlochdüse ausgestaltet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Injektor 8 weist dabei eine nach innen öffnende Ventilnadel 18 auf. Das Ventilglied 18 verschließt dabei die Kraftstoffkammer, welche durch Einspritzlöcher 12 am Umfang der Düse 11 Zugang zum Äußeren hat. In der Kraftstoffkammer 20 wird Kraftstoff unter einem hohen Druck von vorzugsweise mehr als 160 bar zur Einspritzung bereitgestellt. Bei Abheben der Injektornadel 18 in Richtung der Längsachse 7 werden die am Umfang der Sitzlochdüse 11 gleichmäßig verteilten Einspritzlöcher 12 freigegeben. Die Einspritzlöcher 12 sind als Kanäle in der Wandung der Einspritzdüse 11 derart ausgebildet, daß jeder Kraftstoffstrahl eines Einspritzloches in einem Winkel zur Längsachse 7 abgegeben wird. Die einzelnen Kraftstoffstrahlen bilden den Mantel eines Kegelstrahls aus.
Fig. 2 zeigt einen Injektor 8, an dessen Injektorspitze 19 eine kegelig zugespitzte Einspritzdüse 11 ausgebildet ist, an deren Umfang gleichmäßig verteilte Einspritzlöcher 12 vorgesehen sind. Zur Ausbildung des Kegelstrahls sind mindestens sechs Einspritzlöcher, vorzugsweise 10 bis 12 Einspritzlöcher 12 am Umfang der Einspritzdüse 11 gleichmäßig verteilt. Um die Qualität der inneren Gemischbildung durch genaue Führung der einzelnen Kraftstoffstrahlen zu verbessern, können die Einspritzlöcher hydroerosiv verrundet sein. Die Einspritzlöcher 12 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 140 μm auf. Dabei wird ein Verhältnis der Länge der Einspritzlöcher L zu den Durchmessern D von L/D < 3 als vorteilhaft angesehen; das Verhältnis betrifft vorzugsweise etwa 2. Die Injektorspritze 19 des Injektors 8 nach Fig. 2 wird vorzugsweise mit Verhältnissen D1/D2 von 0,4 bis 0,7 und L1/L2 = 0,08 bis etwa 0,22 gestaltet.
Um bei einem strahlgeführten Brennverfahren und insbesondere im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine eine sichere Zündung und saubere Verbrennung sicherzustellen, kann die innere Gemischbildung und Kraftstoffverteilung durch geeignete Luftbewegung im Brennraum unterstütz werden. Die Einlaßluft kann dabei durch entsprechende Gestaltung der Einlaßkanäle in bedarfsweise steuerbaren Drallbewegungen um die Zylinderachse 7 oder Tumblebewegungen in der Ebene der Injektorachse 7 gesteuert werden.
Erfindungsgemäß ist in dem Kolbenboden 5 des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Kolbens 3 eine Kolbenmulde 6 vorgesehen, welche in zentraler Lage gegenüberliegend der Einspritzdüse 11 ausgespart ist. Um einer Benetzung des Kolbenbodens 5 mit Kraftstoff bei sehr später Einspritzung im Schichtladungsbetrieb entgegenzuwirken, wenn der Kolbenboden sich nämlich bereits nahe dem Injektor befindet, ist die Kolbenmulde 6, wie in Fig. 3 dargestellt, mit radialen Kavitäten 16 erweitert. Die im Kolbenboden 5 ausgehöhlten Radialkavitäten 16 sind dabei derart am Umfang der Kolbenmulde 6 verteilt, daß jedem Einspritzloch 12 des Injektors 8 eine Kavität 16 zur Aufnahme des jeweiligen KraftstoffStrahls 13 zugeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel des in Fig. 3 in Draufsicht dargestellten Kolbens 3 sind für einen Injektor mit acht Einspritzlöchern acht Kavitäten 16 vorgesehen, welche gemäß der gleichmäßigen Anordnung der Einspritzlöcher am Umfang der Düse drehsymmetrisch am Umfang der Kolbenmulde 6 angeordnet sind. Die Radialkavitäten 16 erstrecken sich in radialer Richtung bis zu einem gemeinsamen Umkreis 22, dessen Radius Rκ etwa das 0,6 bis 0,9fache, vorzugsweise das 0,8fache des Radius Rz des Kolbens 3 bzw. des Zylinders 2 beträgt. Die Radialkavitäten 16 weiten die sich auf dem Umkreis 21 erstreckende Kolbenmulde 6 abschnittsweise im Bereich der Kraftstoffstrahlen des Injektors auf, wodurch für jeden Kraftstoffstrahl 13 eine längere Wegstrecke auch bei injektornaher Position des Kolbens bereitsteht und einer Benetzung der Kol- benoberflache entgegengewirkt ist.
Die Radialkavitäten 16 sind vorzugsweise derartig in dem Kolben 3 ausgebaucht, daß sich die Kolbenmulde 6 im Bereich der Kavitäten innerhalb des Kolbens 3 radial über einen auf Höhe des Kolbenbodens 5 liegenden Rand 17 hinaus erstreckt. Die radialen Aushöhlungen zur Aufnahme der jeweiligen Kraftstoff- strahlen liegen nach Art einer Kaverne innerhalb des Kolbens 3 unterhalb der Kolbenoberfläche. Vorteilhaft ist die Kolbenmulde 6 mit einer Tiefe von mindestens 5 mm ausgestaltet und weist eine zentrale Erhebung 15 auf, welche den Grund der Kolbenmulde 6 kegelförmig gestaltet und zur Führung der Gemischwolke bei der Gemischbildung in die Radialkavitäten 16 beiträgt .
Die erfindungsgemäßen Radialkavitäten 16 der Kolbenmulde 6 verhindern zum einen die Benetzung der Kolbenoberfläche mit Kraftstoff, so daß auch sehr späte Kraftstoffeinspritzungen im Schichtladungsbetrieb möglich sind und so die Qualität der Gemischbildung erhöht werden kann. Darüber hinaus tragen die erfindungsgemäßen Radialkavitäten 16 in radialer Richtung der Strahlausbreitung des Injektor-Kegelstrahls zur Wahrung des konstruktiv geforderten Verdichtungsverhältnisses der jeweiligen Brennkraftmaschine bei. Das Verdichtungsverhältnis bewegt sich vorteilhaft bei Saugmotoren zwischen 10 und 13 und bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zwischen 8,5 und 11.
Die Ausbildung der Kolbenoberfläche mit Radialkavitäten in der Kolbenmulde erlaubt eine freie Wahl der Öffnungswinkel des Kegelstrahls des Injektors 8 im Hinblick auf die zu erreichende Verbrennungsgualität . Ein Strahlwinkel zwischen den einzelnen Stahlachsen der Krafftstoffstrahlen gemessen in der Injektorachse von 60° bis 130° ist frei wählbar, wobei ein Öffnungswinkel des Kegelstrahls von 75° bis 85° als vorteilhaft gesehen wird.
Der Injektor kann mit Heizelementen zur Kraftstoffvorwärmung ausgestattet sein oder auch Einrichtungen zur Zuführung verschiedener Kraftstoffarten aufweisen (Bi-Fuel-Ventil) , beispielsweise zur Zuführung leichtflüchtigen Startkraftstoffes für den Kaltstart.
In einer Gesamtabstimmung der Brennkraftmaschine erscheint zur Verbesserung der Gemischbildung mit einem Kolben mit Radialkavitäten in der Kolbenmulde ein Verhältnis der Durchmes- ser des Einspritzventils zur Zylinderbohrung von 0,3 bis 0,38 und ein Verhältnis des Durchmessers des Auslaßventils zur Zylinderbohrung von 0,28 bis 0,32 für zweckmäßig. Die Einlaßventile und die Auslaßventile liegen dabei vorteilhaft in einem Verhältnis von 1,02 bis 1,1 zueinander. Mit einem hohen Einspritzdruck von vorteilhaft mehr als 160 bar kann eine genaue und sehr späte Kraftstoffzumessung erfolgen, da die erfindungsgemäßen Radialkavitäten auch bei einem hohen Druck eine Benetzung der Kolbenoberfläche verhindern. Die diametral in der Kolbenmulde 6 gegenüberliegenden Kavitäten 16 bilden dabei eine Omega-Form, welche zur Aufbereitung des in die jeweilige Radialkavität 6 eingespritzten KraftstoffStrahls beiträgt. Ein Verhältnis der Kanallänge der in Fig. 2 dargestellten Einspritzlöcher 12 zu dem Einspritzdruck sollte weniger als 0,25 x 10"9 /Pa betragen.
Zur Verbesserung der Entflammbarkeit der Gemischwolke 14 im Schichtladungsbetrieb wird die Zündkerze zweckmäßig zwischen zwei Kraftstoffstrahlen 13 des Injektors positioniert. Bei Verwendung eines Zylinderköpfes mit vier Ventilen sollte sich die Zündkerze zwischen den Auslaßventilen befinden. Die Zündkerze kann dabei mit Drehwinkel-orientierter Massenelektrode eingebaut werden, wobei zur Stabilisierung der Zündung auch mehrere Zündkerzen und insbesondere eine Wechselspannungs- zündanlage mit variabler Funkendauer Verwendung finden kann.
Die erfindungsgemäße Brennraumgeometrie mit Radialkavitäten zur Erweiterung der Kolbenmulde und Aufnahme der einzelnen Kraftstoffstrahlen 13 eines Mehrlochinjektors 8 erlaubt ohne Benetzung des Kolbens eine sehr späte Kraftstoffeinspritzung und eine rasche Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches spätestens 10° Kurbelwinkel nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung.

Claims

Patentansprüche
1. Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit pro Zylinder (2) einem Injektor (8) zur Kraftstoffeinspritzung in einem Brennraum (4) , welcher von einem im Zylinder längsbewegbar angeordneten Kolben begrenzt ist, wobei der Injektor (8) eine Einspritzdüse (11) mit mehreren, über ihren Umfang verteilten Einspritzlöchern (12) aufweist, deren Kraftstoffstrahlen (13) bei einem Einspritzvorgang eine kegelförmige Kraftstoffwölke (14) mit separat zuführbarer Verbrennungsluft bilden, und wobei in einem Kolbenboden (5) des Kolbens (3) etwa gegenüber der Einspritzdüse (11) liegend eine dem Brennraum (4) erweiternde Kolbenmulde ausgespart ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenmulde (6) mit mehreren im Kolbenboden (5) ausgehöhlten Radialkavitäten (16) zur Aufnahme eingespritzten Kraftstoffs radial erweitert ist, wobei die Radialkavitäten (16) derart über den Umfang der Kolbenmulde (6) verteilt sind, daß jedem Einspritzloch (12) des Injektors (8) eine Kavität (16) zur Aufnahme des jeweiligen KraftstoffStrahls (13) zugeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kavitäten (16) drehsymmetrisch am Umfang der Kolbenmulde (6) verteilt sind.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenmulde (6) in zentraler Lage des Kolbenbodens (5) und der Injektor (8) auf einer Zylinderachse (7) des Zylinders (2) angeordnet sind.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenmulde (6) im Kolben (3) radial über einem auf Höhe des Kolbenbodens (5) liegenden Rand (17) der Kolbenmulde (6) hinausgehend ausgehöhlt ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenmulde (6) in einer zentralen Erhebung (15) von ihrem Grund ausgebildet ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erhebung (15) kegelförmig ausgestaltet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Injektor (8) als Sitzlochdüse mit einem nach innen öffnenden Ventilglied (18) ausgebildet ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Radialkavitäten (16) der Kolbenmulde (6) innerhalb eines Umkreises mit einem Radius (Rκ) liegen, welcher etwa das 0,6 bis 0,9fache, vorzugsweise das 0,8fache des Radius (Rz) des Kolbens (3) beträgt.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Öffnungswinkel ( ) eines aus den Kraftstoffstrahlen (13) aller Einspritzlöcher (12) gebildeten Kegels 60° bis 130°, vorzugsweise 75° bis 85° beträgt.
10. Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens in unteren Lastbereichen der Brennkraftmaschine (1) ein geschichtetes Gemisch mit örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentrationen gebildet wird, wobei die Einspritzung des Kraftstoffes zu einem späteren Zeitpunkt während des Kompressionstaktes des Zylinders (2) als etwa 50° KW vor dem oberen Totpunkt beginnt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches spätestens 10° KW nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kraftstoff mit einem Druck von mehr als 80 bar, vorzugsweise weniger als 160 bar eingespritzt wird.
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