WO2006048129A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2006048129A1
WO2006048129A1 PCT/EP2005/011275 EP2005011275W WO2006048129A1 WO 2006048129 A1 WO2006048129 A1 WO 2006048129A1 EP 2005011275 W EP2005011275 W EP 2005011275W WO 2006048129 A1 WO2006048129 A1 WO 2006048129A1
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WO
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spark plug
fuel
distance
internal combustion
combustion chamber
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Application number
PCT/EP2005/011275
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Altenschmidt
Dietmar Bertsch
Michael Dohn
Uwe Schaupp
Dirk Voigtländer
Original Assignee
Daimlerchrysler
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Publication date
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    • 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
    • F02B17/005—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • 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
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    • 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
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • 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 spark-ignition internal combustion engine with direct injection according to the preamble of claim 1.
  • the arrangement of the injection nozzle in the combustion chamber and the positioning of a planned for the ignition of a fuel / air mixture formed spark plug are decisive for the combustion characteristics of the internal combustion engine and their efficiency.
  • the design of the combustion chamber configuration is crucial in order to avoid the occurrence of misfiring during operation. The latter are often due to the fact that in the manufacture of the injectors despite compliance with the tolerances often fuel jet images come about with slight deviations from an ideal beam structure.
  • the invention has for its object to provide a spark-ignition internal combustion engine with direct injection, in which the mixture formation and combustion in the combustion chamber are improved. This is achieved by a device having the features of claim 1.
  • the internal combustion engine according to the invention is characterized in that a first ratio of first distance to bore diameter in a range of 0.1 to 0.19, in particular from 0.13 to 0.17.
  • a distance adapted to the cylinder bore between the spark plug and a fuel outlet opening in the combustion chamber comes about, so that a favorable fuel distribution in the combustion chamber is achieved to ensure reliable ignition.
  • the present invention provides a concept with which the formation of ignitable mixture in the vicinity of the electrodes of the spark plug is optimized, in particular with regard to a spray-guided combustion process. The result is surprising achieved effects are attributed to the favorable coordination between a peripheral vortex formed in the combustion chamber in relation to the bore diameter.
  • the fuel injector is positioned in the cylinder head such that a second distance results between a fuel outlet opening and an inlet valve axis, wherein a second ratio of second distance to bore diameter in a range of 0.15 to 0.22, in particular from 0.17 to 0.19 is provided.
  • a second ratio of second distance to bore diameter in a range of 0.15 to 0.22, in particular from 0.17 to 0.19 is provided.
  • the fuel injector is positioned such that a third distance results between the fuel outlet opening and an outlet valve axis, wherein a third ratio of third distance to bore diameter in a range between 0.16 and 0.24, preferably between 0 , 18 and 0.22 is provided.
  • a third ratio of third distance to bore diameter in a range between 0.16 and 0.24, preferably between 0 , 18 and 0.22 is provided.
  • the spark plug is positioned such that there is a fourth distance between the exhaust valve axis and a free end portion of the spark plug center electrode, with a fourth ratio of fourth distance to bore diameter in a range of 0.02 to 0.13, in particular from 0.04 to 0.1 is provided.
  • a charge movement generated during a charge change is adapted to the fuel quantity injected into the combustion chamber, so that the fuel is uniformly distributed within the fuel hollow cone formed.
  • ignitable mixture components are available in the region of the electrodes of the spark plug.
  • the spark plug is positioned such that a fifth distance results between the inlet valve axis and the free end portion of the spark plug center electrode, wherein a fifth ratio of fifth distance to bore diameter in a range between 0.25 and 0.4, preferably between 0.3 and 0.35.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a cylinder of a direct-injection spark-ignited
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of a schematic combustion chamber of the internal combustion engine according to
  • Fig. 1. 1 shows a cylinder 2 of a spark-ignited internal combustion engine 1 with direct injection, in which a combustion space 4 between a piston 3 and a cylinder head 5 is limited.
  • the internal combustion engine comprises per combustion chamber 4 at least one inlet valve, at least one exhaust valve, a fuel injector 6 and a spark plug 7, wherein the fuel injector 6 and the spark plug 7 are provided adjacent to each other in the central region of a combustion chamber roof 19.
  • the number of inlet and outlet valves can be variably selected according to the invention.
  • the invention according to the present embodiment is particularly suitable for internal combustion engines with two intake and exhaust valves.
  • the cylinder 2 has a cylinder bore 2 a with a bore diameter D.
  • the invention aims at detecting, by means of a corresponding combustion chamber configuration, ignitable regions of the formed edge vortex 10 at an ignition point from a spark formed at the spark plug 7.
  • the fuel injector 6 is positioned as shown in FIG. 2 in the central region of the combustion chamber roof 19 and has an outwardly opening injection nozzle, wherein a Fuel outlet opening 11 of the injection nozzle protrudes into the combustion chamber 4.
  • the spark plug 7 is likewise arranged in the combustion chamber roof on the outlet side between the outlet channel 16 and the fuel injector 6, wherein it may also be arranged on the inlet side in the sense of the invention.
  • the fuel injector 6 and the spark plug 7 are arranged in the combustion chamber such that a first ratio C / D of the first distance C to the bore diameter D is in a range of 0.1 to 0.19, in particular 0.13 to 0.17.
  • the first distance C corresponds to a shortest distance between a fuel injector axis 18 and a free end portion of the spark plug center electrode 20.
  • the spark plug 7 may be disposed between the intake port 13 and the fuel injector 6 or between the exhaust port and the fuel injector 6 while maintaining the first ratio C / D , Due to the provided conditions, a spark plug-fuel injector arrangement adapted to the cylinder bore is established, with which the formation of ignitable mixture in the vicinity of the electrodes of the spark plug is ensured. This avoids the occurrence of misfiring. With the first ratio C / D a favorable coordination between the fuel distribution in the region of the spark plug 7 in relation to the bore diameter D is achieved.
  • the present invention also contemplates selecting the arrangement of the fuel injector 6 in accordance with the positions of the intake and exhaust ports 16 relative to the cylinder bore 2a.
  • the combustion chamber 4 of the internal combustion engine 1 according to the invention is designed such that a second ratio E / D of second distance E to bore diameter D in a range of 0.15 to 0.22, in particular from 0.17 to 0.19.
  • the second distance E corresponds to a shortest distance between the fuel outlet opening 11 and a central axis 15 of the inlet valve, not shown. Due to the proposed second distance E, the amount of fuel in the outer region of the edge vortex 10 is intensively mixed with the compressed combustion air. Thus, the transport of ignitable mixture in the vicinity of a spark on the spark plug 7 is favored.
  • the invention provides a combustion chamber configuration in which a third ratio A / D of third distance A to bore diameter D is in a range of 0.16 to 0 , 24, in particular from 0.18 to 0.22.
  • the third distance A corresponds to a shortest distance between the fuel outlet opening 11 and a central axis 16 of the exhaust valve, not shown.
  • the present invention also provides for the arrangement of the spark plug 7 to be matched to the positions of the inlet and outlet channels relative to the cylinder bore 2a.
  • a fourth ratio B / D of fourth distance B to bore diameter D is in a range from 0.02 to 0.13, in particular from 0.04 to 0.1.
  • the fourth distance B corresponds to a shortest distance between a free end portion of the center electrode of the spark plug 7 and a center axis 16 of the exhaust valve, not shown.
  • a fifth ratio F / D of fifth distance F to bore diameter D is in a range of 0.25 to 0.4, especially 0.3 to 0.35.
  • the fifth distance F corresponds to a shortest distance between a free end portion of the center electrode of the spark plug 7 and a central axis 15 of the inlet valve, not shown.
  • the intended ratio promotes the transport of the ignitable mixture components in the outer region of the edge vortex 10 in the direction of the spark plug 7 in coordination with a charge movement formed in the combustion chamber 4.
  • the internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 operates on the four-stroke principle, wherein according to the invention the internal combustion engine can likewise be designed as a spark-ignition two-stroke internal combustion engine with direct injection.
  • the first cycle combustion air is supplied to the combustion chamber 4 through the inlet channel 13, the piston 3 moving in a downward movement to a bottom dead center.
  • the piston 3 moves in an upward movement from the bottom dead center to a top dead center, wherein the fuel is injected in a stratified charge mode of the internal combustion engine 1 during the compression stroke.
  • a formed fuel / air mixture is ignited by means of the spark plug 7, wherein the piston 3 expands in a downward movement to the bottom dead center.
  • the last cycle of the piston 3 moves in an upward movement to the top dead center and pushes the exhaust gases from the combustion chamber 4 from.
  • the internal combustion engine 1 according to the presentletons ⁇ example is operated such that is driven in the lower and middle speed and load range in the stratified charge mode and in the upper load range in the homogeneous mode.
  • the invention is particularly suitable for internal combustion engines with a displacement between two and seven liters, preferably between three and six liters. Furthermore, bore diameters between 85 mm and 100 mm are preferred.
  • the stratified charge mode has a spray-guided combustion process. The injection of the fuel takes place with a fuel injection pressure of about 60 to 500 bar.
  • the fuel injection takes place with a fuel injection pressure of about 180 to 220 bar, preferably 195 to 205 bar at a time at which a back pressure in the combustion chamber at the time of fuel injection between eight and twenty bar, preferably between ten and sixteen bar.
  • a fuel injection pressure of about 180 to 220 bar, preferably 195 to 205 bar at a time at which a back pressure in the combustion chamber at the time of fuel injection between eight and twenty bar, preferably between ten and sixteen bar.
  • This corresponds to a crank angle range between 50 ° and 10 ° before an upper ignition dead center in the present embodiment.
  • the crank angle range given here serves only as an example, because depending on the construction and operating mode of the internal combustion engine and depending on the load point, the counterpressure range or cylinder pressure range proposed according to the invention can lie in a different crank angle range.
  • the proposed combustion chamber back pressure in supercharged internal combustion engines is well in an earlier range of crank angles than in non-supercharged internal combustion engines.
  • an outwardly opening injection nozzle 11 is preferably used, with which a fuel hollow cone 8 is produced at an angle ⁇ between 75 ° and 100 °, preferably between 85 ° and 95 ° or between 80 ° and 90 ° , Since the fuel hollow cone 8 strikes a combustion air compressed in the combustion chamber 4, a toroidal edge vortex 10 is formed in the combustion chamber 4 such that an ignitable fuel / air mixture is achieved in the region of the electrodes 12 of the spark plug 7.
  • the arrangement of Spark plug 7 is selected so that the electrodes 12 of the spark plug 7 protrude into the edge vortex 10 achieved, wherein they lie outside of a lateral surface 9 of the fuel cone 8 during the fuel injection.
  • the electrodes 12 of the spark plug 7 are hardly wetted with fuel.
  • optimum combustion is made possible, in particular in the stratified charge mode, and a reliable ignition in all load points of the internal combustion engine 1 is achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem eine Zylinderbohrung (2a) aufweisenden Zylinder (2), in dem ein Brennraum (4) zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (5) begrenzt ist, mindestens einem Einlasskanal (13), mindestens einem Auslasskanal (14), einem im Zylinderkopf (5) angeordneten Kraftstoffinjektor (6), der eine nach außen öffnende Einspritzdüse aufweist, durch die Kraftstoff in Form eines Hohlkegels (8) in den Brennraum (4) eingespritzt wird, und einer im Brennraum (4) derart angeordneten Zündkerze (7), dass während der Kraftstoffeinspritzung die Elektroden (12) der Zündkerze (7) außerhalb des eingespritzten Kraftstoffhohlkegels liegen, wobei die Zündkerze (7) und der Kraftstoffinjektor (6) so positioniert sind, dass sich ein erster Abstand (C) zwischen einer Injektorachse (18) und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode (20) ergibt, und die Zylinderbohrung (2a) einen Durchmesser (D) aufweist, wobei ein erstes Verhältnis (C/D) von erstem Abstand (C) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 vorgesehen ist.

Description

Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet, die durch die Bildung einer bestimmten Kraftstoffstrahlform eine verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewährleisten sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden nach außen öffnende Einspritzdüsen zur Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.
Aus der DE 199 11 023 C2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Kraftstoff durch eine nach außen öffnende Einspritz¬ düse in den Brennraum in Form eines Hohlkegels eingebracht wird. In einem Schichtladebetrieb trifft der Kraftstoff dabei auf komprimierte Verbrennungsluft im Brennraum, so dass sich hierdurch ein Randwirbel im Brennraum bildet. Somit wird ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch in die Nähe einer Zündkerze transportiert. Die Anordnung der Zündkerze erfolgt derart, dass die Elektroden der Zündkerze in den erzielten Randwirbel hineinragen, wobei sie während der Kraftstoff¬ einspritzung außerhalb einer Mantelfläche des Kraftstoff¬ hohlkegels liegen. Die Anordnung der Einspritzdüse im Brennraum und die Positionierung einer für die Zündung eines gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches vorgesehenen Zündkerze sind dabei maßgeblich für die Verbrennungseigenschaften der Brennkraft¬ maschine und deren Wirkungsgrad. Zur Erzielung einer zuverlässigen Zündung ist die Gestaltung der Brennraum¬ konfiguration entscheidend, um während des Betriebs ein Auftreten von Zündaussetzern zu vermeiden. Letztere sind häufig darauf zurückzuführen, dass bei der Fertigung der Einspritzdüsen trotz Einhaltung der zugelassenen Toleranzen oftmals Kraftstoffstrahlbilder mit geringfügigen Abweichungen von einer idealen Strahlstruktur zustande kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bereitzustellen, bei der die Gemischbildung sowie die Verbrennung im Brennraum verbessert sind. Diese wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein erstes Verhältnis von erstem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 liegt. Hierdurch kommt ein auf die Zylinderbohrung angepasster Abstand zwischen der Zündkerze und einer Kraftstoffaustrittsöffnung im Brennraum zustande, so dass zur Gewährleistung einer zuverlässigen Zündung eine günstige Kraftstoffverteilung im Brennraum erzielt wird. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Konzept zur Verfügung gestellt, mit dem die Bildung von zündfähigem Gemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerze insbesondere im Hinblick auf ein strahlgeführtes Brennverfahren optimiert wird. Die hierdurch überraschend erzielten Effekte werden auf die günstige Abstimmung zwischen einem im Brennraum gebildeten Randwirbel in Relation zum Bohrungsdurchmesser zurückgeführt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoff- injektor im Zylinderkopf derart positioniert, dass sich zwischen einer Kraftstoffaustrittsöffnung und einer Einlassventilachse ein zweiter Abstand ergibt, wobei ein zweites Verhältnis von zweitem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 vorgesehen ist. Hierdurch wird eine bemerkenswerte, auf eine Ladungsbewegung und Bohrungsdurchmesser abgestimmte und schnelle Kraftstoffausbreitung innerhalb des gebildeten Wirbels hervorgerufen. Somit wird der Kraftstoff in den Außenbereichen des Randwirbels rasch mit der Verbrennungsluft vermischt .
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoff- injektor derart positioniert, dass sich zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung und einer Auslassventilachse ein dritter Abstand ergibt, wobei ein drittes Verhältnis von drittem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,16 und 0,24, vorzugsweise zwischen 0,18 und 0,22 vorgesehen ist. Im vorgeschlagenen Bereich bilden sich erfindungsgemäß auf den Bohrungsdurchmesser abgestimmte Strömungsverhältnisse aus, die im Randwirbelbereich eine schnelle und ausreichende Vermischung der Kraftstofftröpfchen mit der Verbrennungsluft ermöglichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze so positioniert, dass sich zwischen der Auslassventilachse und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein vierter Abstand ergibt, wobei ein viertes Verhältnis von viertem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1 vorgesehen ist. Hierdurch wird eine bei einem Ladungswechsel erzeugte Ladungsbewegung auf die in den Brennraum einspritzte Kraftstoffmenge angepasst, so dass der Kraftstoff innerhalb des gebildeten Kraftstoffhohlkegels gleichmäßig verteilt wird. Somit stehen zum Zündzeitpunkt zündfähige Gemischanteile im Bereich der Elektroden der Zündkerze zur Verfügung.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze derart positioniert, dass sich zwischen der Einlassventilachse und dem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein fünfter Abstand ergibt, wobei ein fünftes Verhältnis von fünftem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,35 liegt. Hierdurch ist eine auf die vorliegende Brennraum¬ konfiguration abgestimmte und kontrollierte Führung der Kraftstoffteilchen entlang des Hohlkegels in Richtung der Zündkerze gewährleistet. Weiterhin wird eine ausreichende Kontaktoberfläche mit der Verbrennungsluft für die am äußeren Bereich des Hohlkegels verwirbelten Kraftstofftropfchen in Abhängigkeit vom Bohrungsdurchmesser zur Verfügung gestellt.
Weitere Merkmale und Merkmalkombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden fremdgezündeten
Brennkraftmaschine und Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines schematischen Brennraums der Brennkraftmaschine nach
Fig. 1. Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 mit Direkteinspritzung, in dem ein Brennraum 4 zwischen einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 5 begrenzt ist. Die Brennkraftmaschine umfasst pro Brennraum 4 mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor 6 und eine Zündkerze 7, wobei der Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 benachbart zueinander im mittleren Bereich eines Brennraumdachs 19 vorgesehen sind. Die Anzahl der Einlass- und Auslassventile kann im Sinne der Erfindung variabel ausgewählt werden. Die Erfindung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit je zwei Einlass- und Auslassventilen. Im Zylinderkopf 5 sind Einlass¬ und Auslasskanäle 13, 14 vorgesehen, wobei im Kolben 3 vorzugsweise eine Kolbenmulde 3a vorgesehen ist. Weiterhin weist der Zylinder 2 eine Zylinderbohrung 2a mit einem Bohrungsdurchmesser D auf.
Um optimale Zündverhältnisse im Bereich des zum Zündzeitpunkt an den Elektroden 12 der Zündkerze 7 vorliegenden Randwirbels 10 zu erzielen, ist es notwendig, die Brennraumkonfiguration dem strahlgeführten Brennverfahren anzupassen. Daher zielt die Erfindung darauf ab, dass mittels einer entsprechenden Brennraumkonfiguration zündfähige Bereiche des ausgebildeten Randwirbels 10 zu einem Zündzeitpunkt von einem an der Zündkerze 7 gebildeten Zündfunken erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist die Anordnung der Zündkerze 7 und des Kraftstoffinjektors 6 mit Bezug auf die Brennraumverhältnisse und insbesondere auf die Zylinderbohrung 2a zu gestalten. Der Kraftstoffinjektor 6 ist gemäß Fig. 2 im mittleren Bereich des Brennraumdachs 19 positioniert und weist eine nach außen öffnende Einspritzdüse auf, wobei eine Kraftstoffaustrittsöffnung 11 der Einspritzdüse in den Brennraum 4 einragt . Die Zündkerze 7 ist ebenfalls im Brennraumdach auslassseitig zwischen dem Auslasskanal 16 und dem KraftstoffInjektor 6 angeordnet, wobei sie im Sinne der Erfindung ebenfalls einlassseitig angeordnet sein kann. Der KraftstoffInjektor 6 und die Zündkerze 7 sind im Brennraum derart angeordnet, dass ein erstes Verhältnis C/D von erstem Abstand C zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 liegt. Der erste Abstand C entspricht einer kürzesten Distanz zwischen einer Kraftstoffinjektorachse 18 und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode 20. Die Zündkerze 7 kann zwischen dem Einlasskanal 13 und dem Kraftstoffinjektor 6 oder zwischen dem Auslasskanal und dem Kraftstoffinjektor 6 unter Einhaltung des ersten Verhältnisses C/D angeordnet sein. Durch die vorgesehenen Verhältnisse kommt eine auf die Zylinderbohrung angepasste Zündkerze-Kraftstoffinjektor- Anordnung zustande, mit der die Bildung von zündfähigem Gemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerze gewährleistet ist. Hierdurch wird das Auftreten von Zündaussetzern vermieden. Mit dem ersten Verhältnis C/D wird eine günstige Abstimmung zwischen der Kraftstoffverteilung im Bereich der Zündkerze 7 in Relation zum Bohrungsdurchmesser D erzielt.
Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls vor, die Anordnung des Kraftstoffinjektors 6 abgestimmt auf die Positionen der Einlass- 15 und Auslasskanäle 16 relativ zur Zylinderbohrung 2a auszuwählen. Somit wird mit Hilfe der vorgeschlagenen Brennraumkonfiguration zur Minimierung des Auftretens von Zündaussetzern eine mögliche Entstehung von kraftstoffarmen Zonen im Elektrodenbereich zu einem Zündzeitpunkt vermieden. Der Brennraum 4 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist derart ausgebildet, dass ein zweites Verhältnis E/D von zweitem Abstand E zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 liegt. Dabei entspricht der zweite Abstand E einer kürzesten Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils. Durch den vorgeschlagenen zweiten Abstand E wird die Kraftstoff¬ menge im äußeren Bereich des Randwirbels 10 intensiv mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischt. Somit wird der Transport von zündfähigem Gemisch in die Nähe eines Zündfunkens an der Zündkerze 7 begünstigt.
Um weiterhin die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft- Gemisch im Bereich der Elektroden 12 zu gewährleisten, sieht die Erfindung eine Brennraumkonfiguration vor, bei der ein drittes Verhältnis A/D von drittem Abstand A zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,16 bis 0,24, insbesondere von 0,18 bis 0,22 liegt. Dabei entspricht der dritte Abstand A einer kürzesten Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls vor, die Anordnung der Zündkerze 7 abgestimmt auf die Positionen der Einlass¬ und Auslasskanäle relativ zur Zylinderbohrung 2a zu wählen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt ein viertes Verhältnis B/D von viertem Abstand B zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1. Dabei entspricht der vierte Abstand B einer kürzesten Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass ein fünftes Verhältnis F/D von fünftem Abstand F zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,25 bis 0,4, insbesondere von 0,3 bis 0,35 liegt. Dabei entspricht der fünfte Abstand F einer kürzesten Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils. Durch das vorgesehene Verhältnis wird der Transport der zündfähigen Gemischanteile im äußeren Bereich des Randwirbels 10 in Richtung der Zündkerze 7 in Abstimmung auf eine im Brennraum 4 gebildete Ladungsbewegung gefördert.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei erfindungsgemäß die Brennkraft¬ maschine ebenfalls als eine fremdgezündete Zweitaktbrenn- kraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet sein kann. Im ersten Takt wird dem Brennraum 4 durch den Einlasskanal 13 Verbrennungsluft zugeführt, wobei der Kolben 3 sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt bewegt. Im nachfolgenden Kompressionstakt bewegt sich der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt, wobei der Kraftstoff in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 während des Kompressionstakts eingespritzt wird. Im Bereich des oberen Totpunkts wird mittels der Zündkerze 7 ein gebildetes Kraftstoff/Luft- Gemisch gezündet, wobei der Kolben 3 in einer Abwärtsbewegung bis zum unteren Totpunkt expandiert. Im letzten Takt fährt der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum 4 aus.
Die Brennkraftmaschine 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungs¬ beispiel wird derart betrieben, dass im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich im Schichtladebetrieb und im oberen Lastbereich im Homogenbetrieb gefahren wird. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit einem Hubraum zwischen zwei und sieben Litern, vorzugsweise zwischen drei und sechs Litern. Weiterhin werden Bohrungsdurchmesser zwischen 85 mm und 100 mm bevorzugt. Insbesondere liegt beim Schichtladebetrieb ein strahlgeführtes Brennverfahren vor. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mit einem Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 60 bis 500 bar. Insbesondere im Schichtladebetrieb findet die Kraftstoffeinspritzung mit einem Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 180 bis 220 bar, vorzugsweise 195 bis 205 bar an einem Zeitpunkt statt, an dem ein Gegendruck im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen acht und zwanzig bar, vorzugsweise zwischen zehn und sechzehn bar beträgt. Das entspricht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Kurbelwinkelbereich zwischen 50° und 10° vor einem oberen Zünd-Totpunkt . Der hier angegebene Kurbelwinkelbereich dient nur als Beispiel, denn je nach Bau- und Betriebsart der Brennkraftmaschine sowie je nach Lastpunkt kann der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Gegendruckbereich bzw. Zylinder¬ druckbereich in einem anderen Kurbelwinkelbereich liegen. Beispielsweise liegt der vorgeschlagene Brennraumgegendruck bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen durchaus in einem früheren Kurbelwinkelbereich als bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
Bei dem gemäß der Erfindung vorgeschlagenen strahlgeführten Brennverfahren wird vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet, mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen 75° und 100°, vorzugsweise zwischen 85° und 95° oder zwischen 80° und 90° erzeugt wird. Da der Kraftstoffhohlkegel 8 auf eine im Brennraum 4 komprimierte Verbrennungsluft trifft, bildet sich ein torusförmiger Randwirbel 10 im Brennraum 4 derart aus, dass im Bereich der Elektroden 12 der Zündkerze 7 ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzielt wird. Die Anordnung der Zündkerze 7 ist so gewählt, dass die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in den erzielten Randwirbel 10 hineinragen, wobei sie während der Kraftstoffeinspritzung außerhalb einer Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegeis 8 liegen. Dadurch werden die Elektroden 12 der Zündkerze 7 mit Kraftstoff kaum benetzt. Durch die ausgeführten Verhältnisse wird insbesondere im Schichtladebetrieb eine optimale Verbrennung ermöglicht und eine zuverlässige Zündung in allen Lastpunkten der Brennkraftmaschine 1 erzielt .

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine (1) mit
- mindestens einem eine Zylinderbohrung (2a) aufweisenden Zylinder (2) , in dem ein Brennraum (4) zwischen einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (5) begrenzt ist,
- mindestens einem Einlasskanal (13) , mindestens einem Auslasskanal (14) ,
- einem im Zylinderkopf (5) angeordneten Kraftstoffinjektor (6) , der eine nach außen öffnende Einspritzdüse aufweist, durch die Kraftstoff in Form eines Hohlkegels (8) in den Brennraum (4) eingespritzt wird, und
- einer im Brennraum (4) derart angeordneten Zündkerze (7) , dass während der Kraftstoffeinspritzung die
Elektroden (12) der Zündkerze (7) außerhalb des eingespritzten Kraftstoffhohlkegels liegen, wobei
- die Zündkerze (7) und der Kraftstoffinjektor (6) so positioniert sind, dass sich ein erster Abstand (C) zwischen einer Injektorachse (18) und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode (20) ergibt, und
- die Zylinderbohrung (2a) einen Durchmesser (D) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erstes Verhältnis (C/D) von erstem Abstand (C) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kraftstoffinjektor (6) im Zylinderkopf (5) derart positioniert ist, dass sich zwischen einer Kraftstoffaustrittsδffnung (11) und einer Einlassventilachse (15) ein zweiter Abstand (E) ergibt, wobei
- ein zweites Verhältnis (E/D) von zweitem Abstand (E) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 vorgesehen ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kraftstoffinjektor (6) derart positioniert ist, dass sich zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung (11) und einer Auslassventilachse (16) ein dritter Abstand
(A) ergibt, wobei
- ein drittes Verhältnis (A/D) von drittem Abstand (A) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich zwischen 0,16 und 0,24, vorzugsweise zwischen 0,18 und 0,22 vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Zündkerze (7) derart positioniert ist, dass sich zwischen der Auslassventilachse (16) und dem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode (7) ein vierter Abstand (B) ergibt, wobei
- ein viertes Verhältnis (B/D) von viertem Abstand (B) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1 vorgesehen ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Zündkerze (7) derart positioniert ist, dass sich zwischen der Einlassventilachse (15) und dem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein fünfter Abstand (F) ergibt wobei,
- ein fünftes Verhältnis (F/D) von fünftem Abstand (F) zu Bohrungsdurchmesser (D) in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,35 liegt.
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