WO2007060047A1 - Brennkraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an internal combustion engine for gasoline direct injection and a method for operating such an internal combustion engine.
- Internal combustion engines for gasoline direct injection are known from the prior art in various configurations. Such internal combustion engines have been increasingly used recently because they have lower fuel consumption at lower emissions.
- the known internal combustion engines have in common that they usually have an injection valve in a central position and a spark plug is arranged such that they are located on a spray rim of the injected fuel into the combustion chamber.
- the ignition of the substantially conically propagating from the fuel injector fuel takes place at the edge of the cone, since only here an ignitable air-fuel mixture is present.
- the positioning of the spark location of the spark plug results in problems in precisely positioning this spark location at the narrow edge zone in the area of the ignitable fuel-air mixture.
- the inventive method for operating an internal combustion engine with the features of claim 1 has the advantage over that always a secure ignition can be guaranteed. Further, according to the invention, an efficiency can be increased, resulting in a fuel saving results and the exhaust emissions are improved.
- This is inventively achieved in that fuel is injected during a compression stroke of the internal combustion engine in a combustion chamber. In this case, the fuel is injected into the combustion chamber in such a way that an ignitable, patty-shaped mixture region of fuel and air is formed on the piston. The patty-shaped mixture region rests on the piston bottom surface of the piston.
- a predetermined period of time is waited between an end of the fuel injection and a start of ignition with a spark plug in order to allow the formation of the patty-shaped mixture region on the piston.
- the period of time is chosen such that an electrode region protruding into the combustion chamber of the spark plug dips into the ignitable, patty-shaped mixture region and only then ignition takes place in the interior of the patty-shaped mixture region. According to the invention, therefore, there is no longer an ignition at the edge of an injected fuel cloud, but rather inside a flat-shaped mixture region located on the piston. In this case, the injection is waited until the patty-shaped mixture region has formed on the piston, which moves in the opposite direction to the injection direction of the fuel during the compression phase.
- the shell essentially has the form of a drop. Because the piston moves against the thus injected fuel, the piston diverts the fuel-air mixture horizontally to all sides, resulting in further turbulence-related mixing. As a result, the inventive flammable mixture-shaped area is formed on the piston head.
- the mixture region according to the invention is formed on the piston.
- the patty-shaped mixture region is surrounded by a non-flammable gas mixture, in particular air.
- the piston is moved further upwards in the direction of the spark plug, with ignition only taking place when the electrode region of the spark plug is immersed in the mixture region. Since the spark plasma thus inside the Mixture area is generated, a safe ignition can be enabled. Furthermore, starting from the spark plasma, the flame paths are significantly shorter up to the edge of the mixture region than in comparison with an ignition point at one edge, so that, moreover, a faster combustion is achieved.
- the injection of the fuel is preferably carried out by a plurality of individual jets, which is generated by means of a multi-hole valve with a number of holes preferably between 7 and 14, or by means of an outwardly opening annular gap valve (A-valve) with an opening angle ⁇ between 70 ° ⁇ ⁇ 110 °.
- A-valve annular gap valve
- the time period between the end of the fuel injection and the start of the ignition is selected so that it corresponds to a Kurbelwinkelweg between 5 ° and 15 °, in particular between 5 ° and 10 ° and more preferably 7.5 °.
- a trough is preferably provided in the piston head, in which the patty-shaped mixture region is formed.
- the trough is preferably circular and formed symmetrically.
- a projecting nose is formed on the piston head, over which the patty-shaped mixture region lays, in order to form a region projecting substantially in the axial direction of the piston in the patty-shaped mixture region.
- the spark plug is immersed in the projected portion of the mixture region, and ignition of the patty-shaped mixture region from the projected region occurs.
- the protruding nose is preferably arranged on an edge of the trough on the piston head.
- the fuel injection preferably takes place in several successive intervals. This ensures that a higher proportion of air in the patty-shaped mixture region is present, since there is a small air cushion between the individual intervals of the fuel injection.
- a fuel injection preferably takes place on the protruding from the piston crown nose.
- the erfmdungshiele method is preferably applied in a shift operation of the internal combustion engine.
- Shift operation is understood to mean a mode in which only small loads are applied to the internal combustion engine.
- stratified operation combustion in the combustion chamber is essentially determined only by the injected fuel mass, wherein a throttle valve is usually wide open.
- an internal combustion engine for the direct injection of fuel into a combustion chamber, which comprises a spark plug, a piston and a fuel injection device. Furthermore, the internal combustion engine comprises a
- Control means for determining an ignition timing of the spark plug the control device ignites the spark plug only when the fuel injection process has been completed and an ignitable patty-shaped mixture region has formed on the piston, wherein the electrodes of the spark plug must project into the patty-shaped mixture region for ignition.
- a predetermined period of time elapses between the end of the fuel injection process and the start of the ignition to allow on the one hand the formation of the patty-shaped mixture region and, on the other hand, to ignite only when the electrodes of the spark plug project into the patty-shaped mixture region. This ensures that the mixture area is ignited in its interior, so that the flame paths are very short.
- the control device preferably determines the ignition timing as a function of a piston position.
- the position of the piston can preferably be determined based on a crank angle by means of a sensor.
- the piston In order to support the formation of the ignitable, pie-shaped mixture region, the piston preferably has a substantially circular depression on a piston bottom surface. The trough is preferably symmetrical to a piston central axis.
- the piston on the piston bottom surface on a protruding nose may preferably be provided in a circular trough or it is provided at the edge of the trough.
- the protruding nose in the region of the trough it can be ensured that the patty-shaped mixture region also forms over the nose, so that a region of the mixture region protrudes in the direction of movement of the piston.
- the spark plug is then preferably arranged such that its electrodes protrude into the projecting region of the mixture region.
- Piston bottom surface formed on a trough inclined to the central axis of the piston at an angle base. This makes it possible to arrange the spark plug centrally in the cylinder head and still allow a vertical fuel injection to the piston crown.
- the fuel injection device is preferably a multi-hole valve with a number of holes between 7 and 14 or an outwardly opening annular gap valve (A-valve), preferably with an opening angle between 70 ° and 110 °.
- A-valve annular gap valve
- FIG. 1 shows a schematic sectional view of an internal combustion engine according to a first exemplary embodiment of the invention
- FIGS. 2a and 2b are schematic representations of the injection of fuel by means of a multi-hole valve
- Figure 3 is a schematic representation of a spray cloud of an outwardly opening
- FIGS. 4a and 4b show schematic views of an injection by means of a multi-hole valve according to a further exemplary embodiment of the invention
- FIGS. 5 and 6 show schematic sectional views of an internal combustion engine according to a second exemplary embodiment of the invention
- FIGS. 7 and 8 are schematic sectional views of an internal combustion engine according to a third exemplary embodiment of the present invention.
- Figures 9 and 10 are schematic sectional views of an internal combustion engine according to a fourth embodiment of the present invention.
- Figure 11 is a schematic sectional view of an internal combustion engine according to a fifth embodiment of the present invention.
- the internal combustion engine 20 comprises a piston 21 having a piston head 22 in which a circular trough 23 centrally and symmetrically to a
- Center axis X-X of the piston 21 is arranged.
- the piston 21 moves in a known manner in a cylinder, wherein in a cylinder head 24, an injector 25 and a spark plug 26 are arranged.
- the injector 25 is disposed centrally in the cylinder head on the center axis X-X of the piston 21 and is a multi-hole valve with ten holes in this embodiment. The arrangement of the holes can be seen in FIG. 2a.
- Spark plug 26 is a conventional spark plug and has electrodes 27 at its end projecting into a combustion chamber 29.
- the fuel / air mixture envelopes of the individual jets are partly overlapped by turbulence and because the piston 21 moves counter to the jet direction and deflects the fuel / air mixture envelope horizontally.
- an ignitable, patty-shaped mixture region 28 forms on the piston head 22.
- the formation of the patty-shaped mixture region 28 is further enhanced by the intended depression 23 in the piston head 22.
- the patty-shaped mixture region 28 in this case has a circular shape with a thickness which decreases somewhat starting from a center in the direction of the outer edge.
- the mixture region is a substantially homogeneous gaseous fuel-air mixture having an average lambda between 0.8 and 1.5.
- the injection of fuel takes place at a crank angle of about 35 ° before top dead center TDC.
- the holes of the multi-hole valve are to be designed so that each individual jet has a possible bushy shape.
- a hole diameter of a single hole is preferably between about 130 microns and 200 microns. More preferably, tapered, in particular conical, outwardly opening holes or stepped holes favor a bushy spray form with the desired fuel-air mixture gas shells.
- the beam axes of the holes of the multi-hole valve are chosen such that they have approximately the same space angle distance.
- the hole diameters of the individual holes can be different depending on a distance of travel of a single jet to the piston head 22, the hole diameters of the individual holes can be different.
- Internal beams which in the central arrangement of the injector shown in FIG. 1 have the shortest path to the piston, can have a smaller hole diameter than the holes arranged on the circumference. Due to the smaller holes, the amount of fuel passed therethrough and thus the spray impulse becomes lower, so that even the internal jets are safely vaporized before they reach the piston crown 22.
- the choice of hole diameter and opening angle of the spray holes and the number of holes is so too Choose that the injected fuel is just vaporized when it reaches the piston head 22.
- the oppositely moving piston 21 can provide a particularly good mixing and homogenization of the ignitable mixture region.
- FIG. 1 shows the position approximately 20 ° before top dead center, in which the mixture region 28 has formed homogeneously on the piston head 22 in the trough 23. Ignition by means of the spark plug 26, however, takes place only when the electrodes 27 reach into the interior of the mixture region 28. This is achieved at a piston position of about 20 ° before top dead center, as shown in Figure 1.
- a control device 34 controls the ignition timing of the spark plug 26 as a function of the position of the piston 21.
- the ignition point is at a crank angle of about 20 ° before top dead center.
- a period of time between an end of the fuel injection and the start of the ignition corresponds to a distance traveled by the piston 21 over a crank angle between 5 ° to 10 °, preferably 7.5 °.
- Mixture range 28 significantly reduced in comparison with an ignition at the edge. As a result, on the one hand faster and more complete combustion can be achieved. Furthermore, this achieves a particularly stable combustion process, in particular in the stratified operation of the internal combustion engine 20.
- the patty-shaped mixture region 28 results according to the invention by the interaction of the injecting fuel and the piston 21, wherein a certain period of time between the end of the injection and the start of the ignition is to allow the formation of the mixture region and ignition of the mixture region 28 in his To perform inside. Furthermore, due to the internal ignition, the deviations occurring due to tolerances in the components can not lead to uneven combustion.
- FIG. 3 shows an alternative embodiment of an injection device 25 in the form of an outwardly opening annular gap valve (A valve).
- the annular gap valve shown injects the fuel in the form of a cone, so that an annular fuel area 30 results in the sectional view shown in FIG.
- An opening angle of the annular gap valve of Figure 3 is preferably between 70 ° and 110 °.
- the injection by means of the annular gap valve likewise produces a homogeneous, patty-like mixture region 28 on the piston, as in FIG. 1, wherein the piston deflects the impinging fuel-air-gas mixture horizontally both inwards and outwards.
- Figures 4a and 4b show a further embodiment of an injector 25, which is also designed as a multi-hole valve.
- the multi-hole valve shown in Figures 4a and 4b twelve injection holes 1 to 12.
- the injection holes are distributed on two concentric circles and arranged on the circles offset from one another. This results in the spray distribution shown in Figure 4b to the individual beams.
- the circles again represent the gaseous mixture envelopes. Otherwise, this embodiment corresponds to the first embodiment, so that reference can be made to the description given there.
- FIGS. 5 and 6 show an internal combustion engine 20 according to a second exemplary embodiment of the invention, identical or functionally identical parts being designated by the same reference numerals.
- the spark plug 26 is arranged centrally on the center axis X-X.
- the injection device 25 is arranged laterally of the spark plug 26 and at an angle OC to the central axis.
- the injector 25 is on again
- Multi-hole valve wherein in Figure 5 schematically three injection jets are shown with a still liquid fuel jet 35 and a forming gaseous shell 36 from a fuel-air mixture.
- a protruding lug 37 is additionally formed in the trough 23 formed in the piston head 22.
- the projecting nose 37 is centrally located in the trough 23 on the central axis XX and has substantially the shape of a spherical section. The injection of fuel takes place exactly in the direction of the projecting nose 37.
- the piston position at the beginning of the injection is about 35 ° before top dead center.
- the piston 21 moves further toward the spark plug 26, which is then formed by the deflection at the piston bottom of the homogeneous, ignitable mixture region 28 (see Figure 6).
- the mixture region 28 is formed above the projecting nose 37, so that, as shown in Figure 6, the electrodes 27 of the spark plug 26 at a piston position of about 20 ° before top dead center into the interior of the
- Embodiment particularly short. As a result, a particularly fast and complete combustion can be achieved.
- FIGS 7 and 8 show an internal combustion engine 20 according to a third embodiment of the invention, again and functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiment.
- the internal combustion engine 20 of the third embodiment substantially corresponds to that of the second embodiment, but the protruding nose 37 is disposed in the third embodiment at an edge of the trough 23.
- the injector 25 can be centrally located on the center axis X-X of the piston 21, and the spark plug 26 is disposed in the cylinder head 24 so as to be positioned above the protruding nose 37.
- the lug 37 and the spark plug 26 lie substantially on a common, to the central axis X-X- parallel axis Y-Y.
- the injection of fuel is carried out directly into the well 23 formed in the piston head 22.
- the mixture region 28 is formed in the trough 23 again after the end of the injection and before the ignition wherein the mixture region 28 has a protruding region 28a in the region of the protruding nose 27 (see FIG. In a position about 20 ° before the top dead center, which is shown in Figure 8, the electrodes 27 are immersed in the projecting portion 28a of the mixture region 28, so that then ignition of
- Mixture area 28 can take place.
- an earlier ignition of the mixture region 28 is made possible in comparison with the first exemplary embodiment, since the spark plug protrudes into the protruding region 28a of the mixture region 28 and thus is located earlier inside the mixture region 28.
- the central arrangement of the fuel injection device also has the advantage of ensuring that during the Injecting fuel no fuel wets the electrodes of the spark plug. This ensures a reliable ignition. Otherwise, this embodiment corresponds to the previous embodiments, so that reference can be made to the description given there.
- FIGS. 9 and 10 show an internal combustion engine 20 according to a fourth exemplary embodiment of the invention, wherein in turn identical or functionally identical parts are designated by the same reference numerals as in the preceding exemplary embodiments.
- the fourth embodiment corresponds essentially to the second embodiment, wherein in the trough 23 in the piston head 22 also centrally a protruding nose 37 is formed.
- the spark plug 26 is again centrally located on the central axis X-X of the piston 21 and the injector 25 at an angle OC.
- the piston crown is arranged in the region of the trough inclined to a plane E perpendicular to the central axis X-X.
- the inclination is characterized in Figures 9 and 10 by the angle ß.
- the inclination of the trough 23 is preferably selected such that a central central injection jet is injected substantially perpendicular to the inclined trough surface.
- the central injection jet strikes in particular the projecting nose 37, which leads to a faster formation of the patty-shaped mixture region 28.
- the spark plug 26 is again arranged above the projecting nose 37, so that they in a position of about 20 ° before the top dead center (see Figure 10) in a projecting portion 28a of Mixture 28 is located. Otherwise, this embodiment corresponds to the previous embodiments, so that reference can be made to the description given there.
- FIG 11 shows a fifth embodiment of an internal combustion engine according to the invention, again identical or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the preceding embodiments.
- the fifth embodiment substantially corresponds to the second embodiment, wherein, unlike the second embodiment, both the injector 25 and the spark plug 26 are arranged at an angle ⁇ and ⁇ to a central axis X-X.
- Injection device 25 and the spark plug 26 are the same and differ only by the sign.
- a projecting nose 37 in the trough 23 in the piston head 22 is again arranged below the spark plug 26, so that there is an asymmetrical design of the trough.
- the patty-shaped mixture region 28 again forms with a protruding region 28a over the projecting nose 37, so that in this protruding portion 28a ignition of the mixture region 28 takes place. Otherwise, this embodiment corresponds to the previous embodiment, so that reference can be made to the description given there.
- the mixture region 28 is constructed in a layered manner, wherein in each case a thin air layer is present between two fuel-air mixture layers. As a result, the proportion of air in the mixture region 28 can be increased.
- a further advantage of the method according to the invention in all of the exemplary embodiments described is that, to produce the mixture region 28, it is possible to use injection devices which produce symmetrical spray geometries (without a spray gap for the spark plug). This also eliminates an assignment of the injector to the spark plug. In addition, there is no wetting of the spark plug with liquid fuel, which in particular can reduce the ignitability.
- An inventive internal combustion engine can be used both in vehicles and stationary.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (20) mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (25) und einer Zündkerze (26), wobei die Zündkerze (26) in einen Brennraum (29) hineinragt, wobei während eines Kompressionstraktes der Brennkraftmaschine Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27) in den Brennraum (29) eingespritzt wird, und wobei der Kraftstoff derart in den Brennraum (29) eingespritzt wird, dass sich auf einem Kolben (21) ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) aus Kraftstoff und Luft bildet, und zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn einer Zündung eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet wird, bis ein Elektrodenbereich (27) der Zündkerze (26) in den fladenförmigen Gemischbereich (28) eintaucht und dann erst eine Zündung im Inneren des fladenförmigen Gemischbereichs (28) erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechend ausgebildete Brennkraftmaschine.
Description
Beschreibung
Titel
Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine zur Benzindirekteinspritzung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen zur Benzindirekteinspritzung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Derartige Brennkraftmaschinen werden in jüngster Zeit verstärkt eingesetzt, da sie einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei niedrigeren Emissionen aufweisen. Den bekannten Brennkraftmaschinen ist gemeinsam, dass sie üblicherweise ein Einspritzventil in einer zentralen Lage aufweisen und eine Zündkerze derart angeordnet ist, dass sie an einem Sprayrand des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs liegen. Die Zündung des sich im Wesentlichen kegelförmig von dem Einspritzventil ausbreitenden Kraftstoffs erfolgt dabei am Rand des Kegels, da nur hier ein zündfähiges Luft- Kraftstoffgemisch vorhanden ist. In der Praxis ergeben sich bei der Positionierung des Funkenortes der Zündkerze jedoch Probleme, diesen Funkenort präzise an der schmalen Randzone im Bereich des zündbaren Kraftstoff-Luftgemischs zu positionieren. Dies liegt einerseits an Bauteiltoleranzen von Einspritzventil, Zündkerze und Zylinderkopf und andererseits auch an der Streuung der Spraygeometrie von Zyklus zu Zyklus, so dass die zündbare Randzone in gewissem Umfang variieren kann. Auch können bei der Zündkerze zyklische Streuungen des Funkenorts innerhalb des Elektrodenbereichs auftreten sowie die Spraygeometrie altersbedingt aufgrund von Ablagerungen oder abhängig vom Kennfeld der Brennkraftmaschine variieren. Diese erläuterten Faktoren führen dabei einerseits zu einem reduzierten Wirkungsgrad und andererseits auch zu Problemen bei den Abgasen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass immer eine sichere Zündung gewährleistest werden kann. Ferner kann erfindungsgemäß ein Wirkungsgrad erhöht werden, woraus eine Kraftstoffeinsparung resultiert und die Abgasemissionen verbessert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Kraftstoff während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine in einen Brennraum eingespritzt wird. Der Kraftstoff wird dabei derart in den Brennraum eingespritzt, dass sich auf dem Kolben ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich aus Kraftstoff und Luft bildet. Der fladenförmige Gemischbereich liegt dabei auf der Kolbenbodenfläche des Kolbens auf. Erfindungsgemäß wird dabei zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn einer Zündung mit einer Zündkerze eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet, um die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs auf dem Kolben zu ermöglichen. Die Zeitspanne wird dabei derart gewählt, bis ein in den Brennraum ragender Elektrodenbereich der Zündkerze in den zündfähigen, fladenförmigen Gemischbereich eintaucht und dann erst eine Zündung im Inneren des fladenförmigen Gemischbereichs erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt somit nicht mehr eine Zündung am Rand einer eingespritzten Kraftstoffwolke, sondern im Inneren eines auf dem Kolben befindlichen fladenförmigen Gemischbereichs. Dabei wird nach der Einspritzung abgewartet, bis sich der fladenförmige Gemischbereich auf dem Kolben, welcher sich während der Kompressionsphase entgegen der Spritzrichtung des Kraftstoffs bewegt, gebildet hat. Wenn der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff in Form eines Strahls eingespritzt wird, welcher mit zunehmender Eindringtiefe in den Brennraum zunehmend verdampft, ergibt sich bei dem Strahl insbesondere im Bereich der Sprayspitze eine zündfähige Hülle aus einem gasförmigen Kraftstoff- Luftgemisch, welche sich wie eine Art Halskrause um eine Strahlmitte legt. Diese gasförmige
Hülle weist dabei im Wesentlichen die Form eines Tropfens auf. Weil der Kolben sich entgegen dem derart eingespritzten Kraftstoff bewegt, lenkt der Kolben das Kraftstoff-Luftgemisch horizontal zu allen Seiten ab, was zu einer weiteren, turbulenzbedingten Vermischung führt. Dadurch wird auf dem Kolbenboden der erfindungsgemäße zündfähige, fladenförmige Gemischbereich gebildet. Somit wird während des Zeitraums nach dem Einspritzen und vor dem Zünden der erfindungsgemäße Gemischbereich auf dem Kolben gebildet. Der fladenförmige Gemischbereich ist dabei von einem nicht zündfähigen Gasgemisch, insbesondere Luft, umgeben. Dabei wird der Kolben weiter nach oben in Richtung der Zündkerze bewegt, wobei eine Zündung erst dann erfolgt, wenn der Elektrodenbereich der Zündkerze in den Gemischbereich eingetaucht ist. Da das Funkenplasma somit im Inneren des
Gemischbereichs erzeugt wird, kann eine sichere Zündung ermöglicht werden. Ferner sind ausgehend von dem Funkenplasma die Flammenwege bis zum Rand des Gemischbereichs deutlich kürzer als im Vergleich mit einem Zündpunkt an einem Rand, so dass ferner eine schnellere Verbrennung erreicht wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt vorzugsweise durch eine Vielzahl von Einzelstrahlen, welche mittels eines Mehrlochventils mit einer Lochzahl von vorzugsweise zwischen 7 und 14 erzeugt wird, oder mittels eines sich nach außen öffnenden Ringspaltventils (A- Ventil) mit einem Öffnungswinkel α zwischen 70° < oc < 110°.
Vorzugweise ist die Zeitspanne zwischen dem Ende der Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der Zündung so gewählt, dass sie einem Kurbelwinkelweg zwischen 5° und 15°, insbesondere zwischen 5° und 10° und besonders bevorzugt 7,5° entspricht.
Um eine schnellere und sicherere Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs zu ermöglichen, ist im Kolbenboden vorzugsweise eine Mulde vorgesehen, in welcher sich der fladenförmige Gemischbereich bildet. Die Mulde ist dabei vorzugsweise kreisförmig und symmetrisch gebildet.
Besonders bevorzugt wird nahe einem oder an einem mittleren Bereich des fladenförmigen Gemischbereichs gezündet, um möglichst kurze Flammenwege durch den gesamten Gemischbereich zu haben.
Weiter bevorzugt ist am Kolbenboden eine vorstehende Nase gebildet, über welchen sich der fladenförmige Gemischbereich legt, um im fladenförmigen Gemischbereich einen im Wesentlichen in Axialrichtung des Kolbens vorstehenden Bereich zu bilden. Die Zündkerze taucht in den vorstehenden Teilabschnitt des Gemischbereichs ein und es erfolgt dann eine Zündung des fladenförmigen Gemischbereichs ausgehend von dem vorstehenden Bereich.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Beginn der Zündung des fladenförmigen Gemischbereichs noch in dem Bewegungsabschnitt in Richtung des oberen Totpunkts des Kolbens erfolgt, so dass genau im oberen Totpunkt eine möglichst vollständige Zündung des fladenförmigen Gemischbereichs erfolgt und dann der Expansionstakt erfolgt. Um eine
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Positionierung des Einspritzventils möglichst mittig im Zylinderkopf zu realisieren, ist die vorstehende Nase vorzugsweise an einem Rand der Mulde am Kolbenboden angeordnet.
Vorzugsweise erfolgt die Kraftstoffeinspritzung in mehreren aufeinanderfolgenden Intervallen. Dadurch wird erreicht, dass ein höherer Luftanteil im fladenförmigen Gemischbereich vorhanden ist, da zwischen den einzelnen Intervallen der Kraftstoffeinspritzung jeweils ein kleines Luftpolster liegt.
Um eine schnellere Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs zu erreichen, erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise auf die vom Kolbenboden vorstehende Nase.
Das erfmdungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine angewandt. Unter Schichtbetrieb wird hierbei eine Betriebsart verstanden, bei der an der Brennkraftmaschine nur geringe Lasten anliegen. Im Schichtbetrieb wird dabei eine Verbrennung im Brennraum im Wesentlichen nur durch die eingespritzte Kraftstoffmasse festgelegt, wobei eine Drosselklappe üblicherweise weit geöffnet ist.
Ferner wird erfmdungsgemäß eine Brennkraftmaschine zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum vorgeschlagen, welche eine Zündkerze, einen Kolben und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine eine
Steuereinrichtung, um einen Zündzeitpunkt der Zündkerze zu bestimmen. Die Steuereinrichtung zündet die Zündkerze dabei erst dann, wenn der Kraftstoffeinspritzvorgang abgeschlossen ist und sich auf dem Kolben ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich gebildet hat, wobei die Elektroden der Zündkerze zur Zündung in den fladenförmigen Gemischbereich hineinragen müssen. Mit anderen Worten vergeht zwischen dem Ende des Kraftstoffeinspritzvorgangs und dem Beginn der Zündung eine vorbestimmte Zeitspanne, um einerseits die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs zu ermöglichen und andererseits erst dann eine Zündung vorzunehmen, wenn die Elektroden der Zündkerze in den fladenförmigen Gemischbereich hineinragen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Gemischbereich in seinem Inneren gezündet wird, so dass die Flammenwege sehr kurz sind.
Die Steuereinrichtung bestimmt den Zündzeitpunkt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Kolbenposition. Die Position des Kolbens kann dabei vorzugsweise anhand eines Kurbelwinkels mittels eines Sensors bestimmt werden.
Um die Bildung des zündfähigen, fladenförmigen Gemischbereichs zu unterstützen, weist der Kolben vorzugsweise an einer Kolbenbodenfläche eine im Wesentlichen kreisförmige Mulde auf. Die Mulde ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Kolbenmittelachse.
Weiter bevorzugt weist der Kolben an der Kolbenbodenfläche eine vorstehende Nase auf. Die Nase kann vorzugsweise in einer kreisförmigen Mulde vorgesehen sein oder sie ist am Rand der Mulde vorgesehen. Durch die vorstehende Nase im Bereich der Mulde kann sichergestellt werden, dass sich der fladenförmige Gemischbereich auch über der Nase bildet, so dass ein Bereich des Gemischbereichs in Bewegungsrichtung des Kolbens vorsteht. Hierbei wird die Zündkerze dann vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre Elektroden in den vorstehenden Bereich des Gemischbereichs ragen. Dadurch kann beispielsweise eine Zündung vor dem oberen Totpunkt des Kolbens realisiert werden, wobei die Zündung trotzdem sicher im Inneren des Gemischbereichs erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die an der
Kolbenbodenfläche gebildete Mulde eine zur Mittelachse des Kolbens in einem Winkel geneigte Grundfläche auf. Dies ermöglicht es, die Zündkerze mittig im Zylinderkopf anzuordnen und trotzdem eine senkrechte Kraftstoffeinspritzung auf den Kolbenboden zu ermöglichen.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist vorzugsweise ein Mehrlochventil mit einer Lochzahl zwischen 7 und 14 oder ein nach außen öffnendes Ringspaltventil (A- Ventil), vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110°.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2a und 2b schematische Darstellungen der Einspritzung von Kraftstoff mittels eines Mehrlochventils,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Spraywolke eines nach außen öffnenden
Ringspaltventils (A- Ventil),
Figuren 4a und 4b schematische Ansichten einer Einspritzung mittels eines Mehrlochventils gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung,
Figuren 5 und 6 schematische Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figuren 7 und 8 schematische Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figuren 9 und 10 schematische Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem vierten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Figur 11 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst die Brennkraftmaschine 20 einen Kolben 21 mit einem Kolbenboden 22, in welchem eine kreisförmige Mulde 23 mittig und symmetrisch zu einer
Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet ist. Der Kolben 21 bewegt sich in bekannter Weise in einem Zylinder, wobei in einem Zylinderkopf 24 eine Einspritzeinrichtung 25 und eine Zündkerze 26 angeordnet sind. Die Einspritzeinrichtung 25 ist mittig im Zylinderkopf auf der Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet und ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Mehrlochventil mit zehn Löchern. Die Anordnung der Löcher ist aus Figur 2a ersichtlich. Die
Zündkerze 26 ist eine herkömmliche Zündkerze und weist an ihrem in einen Brennraum 29 vorstehenden Ende Elektroden 27 auf.
Aus den Figuren 2a und 2b wird die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 29 deutlich. Die mit den Bezugszeichen 1 bis 10 bezeichneten Einzelstrahlen der Einspritzeinrichtung 25
werden in Richtung des entgegenkommenden Kolbens 21 in den Brennraum 29 eingespritzt. Dabei ergibt sich mit zunehmender Eindringtiefe jedes Einzelstrahls eine zunehmende Verdampfung, so dass um jeden Einspritzstrahl 1 bis 10 insbesondere im Bereich der Sprayspritze des eingespritzten Kraftstoffs eine Hülle aus einem gasförmigen Kraftstoff- Luftgemisch erzeugt wird. Dies ist in Figur 2b mit den großen Kreisen um jeden Einzelstrahl 1 bis 10 angedeutet. Die gasförmige Krafstoff-Luftgemischhülle legt sich ähnlich einer Halskrause um den Strahl und auch die Spitze des Strahls wird durch ein gasförmiges Kraftstoff-Luftgemisch gebildet. Wie aus Figur 2b weiter ersichtlich ist, überlagern sich die Kraftstoff-Luftgemischhüllen der Einzelstrahlen teilweise aufgrund von Turbulenzen und, weil sich der Kolben 21 entgegen der Strahlrichtung bewegt und die Kraftstoff-Luftgemischhülle horizontal ablenkt. Dadurch bildet sich ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich 28 auf dem Kolbenboden 22. Die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs 28 wird durch die vorgesehene Mulde 23 im Kolbenboden 22 noch verstärkt. Der fladenförmige Gemischbereich 28 weist dabei eine kreisförmige Form mit einer Dicke auf, welche ausgehend von einer Mitte in Richtung des Außenrandes etwas abnimmt. Der Gemischbereich ist ein im Wesentlichen homogenes gasförmiges Kraftstoff-Luftgemisch, welches ein mittleres Lambda zwischen 0,8 und 1,5 aufweist.
Erfmdungsgemäß erfolgt die Einspritzung von Kraftstoff dabei bei einem Kurbelwinkel von ca. 35° vor dem oberen Totpunkt OT. Die Löcher des Mehrlochventils sind dabei so zu gestalten, dass jeder Einzelstrahl eine möglichst buschige Form aufweist. Hierzu ist ein Lochdurchmesser eines einzelnen Lochs vorzugsweise zwischen ca. 130 μm und 200 μm. Weiter bevorzugt begünstigen sich verjüngende, insbesondere konische, sich nach außen öffnende Löcher oder gestufte Löcher eine buschige Sprayform mit den gewünschten Kraftstoff-Luftgemisch- Gashüllen. Wie in Figur 2a gezeigt, sind die Strahlachsen der Löcher des Mehrlochventils dabei derart gewählt, dass sie etwa denselben Raumwinkelabstand aufweisen.
Es sei angemerkt, dass abhängig von einer zurückzulegenden Wegstrecke eines Einzelstrahls zum Kolbenboden 22 die Lochdurchmesser der Einzellöcher unterschiedlich sein können. Innere Strahlen, die bei der in Figur 1 gezeigten zentralen Anordnung der Einspritzeinrichtung den kürzesten Weg zum Kolben aufweisen, können dabei einen kleineren Lochdurchmesser aufweisen, als die am Umfang angeordneten Löcher. Durch die kleineren Löcher wird die dort durchgesetzte Kraftstoffmenge und somit der Sprayimpuls geringer, so dass auch die inneren Strahlen sicher verdampft sind, bevor sie den Kolbenboden 22 erreichen. Die Wahl der Lochdurchmesser und Öffnungswinkel der Spritzlöcher sowie die Lochanzahl ist dabei so zu
wählen, dass der eingespritzte Kraftstoff gerade verdampft ist, wenn er den Kolbenboden 22 erreicht. Dadurch kann der sich entgegengesetzt bewegende Kolben 21 eine besonders gute Vermischung und Homogenisierung des zündfähigen Gemischbereichs bereitstellen.
Die Bildung des Gemischbereichs 28 erfolgt dabei in einem Bereich zwischen 35° vor dem oberen Totpunkt und ca. 20° vor dem oberen Totpunkt. Figur 1 zeigt dabei die Stellung ca. 20° vor dem oberen Totpunkt, in welcher sich der Gemischbereich 28 homogen am Kolbenboden 22 in der Mulde 23 gebildet hat. Eine Zündung mittels der Zündkerze 26 erfolgt jedoch erst, sobald die Elektroden 27 ins Innere des Gemischbereichs 28 reichen. Dies ist bei einer Kolbenstellung von ca. 20° vor dem oberen Totpunkt, wie in Figur 1 gezeigt, erreicht.
Eine Steuereinrichtung 34 steuert den Zündzeitpunkt der Zündkerze 26 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 21. Vorzugsweise liegt der Zündzeitpunkt dabei bei einem Kurbelwinkel von ca. 20° vor dem oberen Totpunkt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Gemischbereich 28 im oberen Totpunkt vollständig gezündet ist und ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 20 erreicht wird. Eine Zeitspanne zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der Zündung entspricht dabei einem zurückgelegten Weg des Kolbens 21 über einen Kurbelwinkel zwischen 5° bis 10°, vorzugsweise 7,5°.
Durch die Zündung im Inneren des Gemischbereichs 28 sind die Flammwege durch den
Gemischbereich 28 im Vergleich mit einer Zündung am Rand deutlich reduziert. Hierdurch kann einerseits eine schnellere und auch vollständigere Verbrennung erreicht werden. Ferner wird dadurch ein besonders stabiles Brennverfahren insbesondere im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 20 erreicht. Der fladenförmige Gemischbereich 28 ergibt sich erfmdungsgemäß dabei durch die Interaktion des einspritzenden Kraftstoffs und des Kolbens 21, wobei eine gewisse Zeitspanne zwischen dem Ende der Einspritzung und dem Beginn der Zündung liegt, um die Bildung des Gemischbereichs zu ermöglichen und eine Zündung des Gemischbereichs 28 in seinem Inneren durchzuführen. Weiter können durch die Zündung im Inneren die aufgrund von Toleranzen bei den Bauteilen vorkommenden Abweichungen nicht zu einer ungleichmäßigen Verbrennung führen. Auch Streuungen der Spraygeometrie von Zyklus zu Zyklus oder Streuungen eines Funkenorts innerhalb des Elektrodenbereichs der Zündkerze 26 oder kennfeldabhängige Schwankungen der Spraygeometrie haben keinen Einfluss auf das erfmdungsgemäße Verfahren.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Einspritzeinrichtung 25 in Form eines nach außen öffnenden Ringspaltventils (A- Ventil). Das gezeigte Ringspaltventil spritzt den Kraftstoff kegelförmig aus, so dass sich bei der in Figur 3 gezeigten Schnittbetrachtung ein ringförmiger Kraftstoffbereich 30 ergibt. Zu beiden Seiten des Kraftstoffbereichs 30 bildet sich jeweils eine Hülle 31 und 32 aus einem Kraftstoff-Luftgemisch. Ein Öffnungswinkel des Ringspaltventils von Figur 3 liegt dabei vorzugsweise zwischen 70° und 110°. Durch die Einspritzung mittels des Ringspaltventils wird ebenfalls ein homogener, fladenartiger Gemischbereich 28 wie in Figur 1 auf dem Kolben erzeugt, wobei der Kolben das auftreffende Kraftstoff-Luft-Gasgemisch horizontal sowohl nach innen als auch nach außen ablenkt.
Die Figuren 4a und 4b zeigen eine weitere Ausgestaltung einer Einspritzeinrichtung 25, welche ebenfalls als Mehrlochventil ausgebildet ist. Dabei weist das in den Figuren 4a und 4b gezeigte Mehrlochventil zwölf Einspritzlöcher 1 bis 12 auf. Die Einspritzlöcher sind auf zwei konzentrische Kreise verteilt und auf den Kreisen versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich die in Figur 4b gezeigte Sprayverteilung um die Einzelstrahlen. Die Kreise stellen wieder die gasförmigen Gemischhüllen dar. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
In den Figuren 5 und 6 ist eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei der Brennkraftmaschine 20 des zweiten Ausführungsbeispiels die Zündkerze 26 zentral auf der Mittelachse X-X angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 25 ist dabei seitlich der Zündkerze 26 und in einem Winkel OC zur Mittelachse angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 25 ist wieder ein
Mehrlochventil, wobei in Figur 5 schematisch drei Einspritzstrahlen mit einem noch flüssigen Kraftstoffstrahl 35 und einer sich bildenden gasförmigen Hülle 36 aus einem Kraftstoff- Luftgemisch dargestellt sind. Wenn die Einzelstrahlen auf den Kolbenboden 22 auftreffen, sind sie vollständig verdampft, so dass nur ein gasförmiges Kraftstoff-Luftgemisch auf den Kolbenboden auftrifft. Wie ferner aus Figur 5 ersichtlich ist, ist in der im Kolbenboden 22 gebildeten Mulde 23 zusätzlich eine vorstehende Nase 37 gebildet. Die vorstehende Nase 37 ist zentral in der Mulde 23 auf der Mittelachse X-X angeordnet und weist im Wesentlichen die Form eines Kugelabschnitts auf. Die Einspritzung von Kraftstoff erfolgt dabei genau in Richtung der vorstehenden Nase 37. Wie in Figur 5 gezeigt, ist die Kolbenstellung zu Beginn der Einspritzung ca. 35° vor dem oberen Totpunkt. Wenn die Kraftstoffeinspritzung
abgeschlossen ist, bewegt sich der Kolben 21 weiter in Richtung auf die Zündkerze 26 zu, wobei sich dann durch die Ablenkung am Kolbenboden der homogene, zündfähige Gemischbereich 28 bildet (vgl. Figur 6). Hierbei ist der Gemischbereich 28 auch über der vorstehenden Nase 37 gebildet, so dass, wie in Figur 6 gezeigt, die Elektroden 27 der Zündkerze 26 bei einer Kolbenstellung von ca. 20° vor dem oberen Totpunkt in das Innere des
Gemischbereichs 28 hineinreichen. Die in Figur 6 gezeigte Stellung des Kolbens zeigt die Position, in welcher eine Zündung des Gemischbereichs 28 erfolgt. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Zündkerze 26 zentral auf der Mittelachse X-X angeordnet ist und die Mittelachse X-X auch eine Symmetrieachse für den Gemischbereich 28 ist, sind die Flammenwege von den Elektroden bis zu den Rändern des Gemischbereichs 28 in diesem
Ausführungsbeispiel besonders kurz. Dadurch kann eine besonders schnelle und vollständige Verbrennung erreicht werden.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wiederum bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Die Brennkraftmaschine 20 des dritten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen der des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei jedoch die vorstehende Nase 37 beim dritten Ausführungsbeispiel an einem Rand der Mulde 23 angeordnet ist. Dadurch kann die Einspritzeinrichtung 25 zentral auf der Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet werden und die Zündkerze 26 wird derart im Zylinderkopf 24 angeordnet, dass sie über der vorstehenden Nase 37 positioniert ist. Dadurch liegen die Nase 37 und die Zündkerze 26 im Wesentlichen auf einer gemeinsamen, zur Mittelachse X-X- parallelen Achse Y-Y. Die Einspritzung von Kraftstoff erfolgt dabei unmittelbar in die im Kolbenboden 22 gebildete Mulde 23. In Zusammenarbeit mit der Mulde 23 und der zur Einstrahlrichtung entgegengesetzten Bewegung des Kolbens 21 wird nach dem Ende der Einspritzung und vor der Zündung wieder der Gemischbereich 28 in der Mulde 23 gebildet, wobei der Gemischbereich 28 einen vorstehenden Bereich 28a im Bereich der vorstehenden Nase 27 aufweist (vgl. Figur 8). In einer Stellung ca. 20° vor dem oberen Totpunkt, die in Figur 8 dargestellt ist, tauchen die Elektroden 27 in den vorstehenden Bereich 28a des Gemischbereichs 28 ein, so dass dann eine Zündung des
Gemischbereichs 28 erfolgen kann. Hierdurch ist es auch möglich, dass im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel eine frühere Zündung des Gemischbereichs 28 ermöglicht wird, da die Zündkerze in den vorstehenden Bereich 28a des Gemischbereichs 28 hineinragt und somit früher sich im Inneren des Gemischbereichs 28 befindet. Die mittige Anordnung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung hat ferner den Vorteil, dass sichergestellt wird, dass während des
Einspritzens von Kraftstoff kein Kraftstoff die Elektroden der Zündkerze benetzt. Dadurch kann eine sichere Zündung gewährleistet werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
In den Figuren 9 und 10 ist eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind. Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei in der Mulde 23 im Kolbenboden 22 ebenfalls mittig eine vorstehende Nase 37 gebildet ist. Die Zündkerze 26 ist wieder zentral auf der Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet und die Einspritzeinrichtung 25 in einem Winkel OC. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch der Kolbenboden im Bereich der Mulde geneigt zu einer Ebene E senkrecht zur Mittelachse X-X angeordnet. Die Neigung ist in den Figuren 9 und 10 durch den Winkel ß gekennzeichnet. Die Neigung der Mulde 23 ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass ein mittlerer zentraler Einspritzstrahl im Wesentlichen senkrecht zur geneigten Muldenfläche einspritzt. Der zentrale Einspritzstrahl trifft dabei insbesondere auf die vorstehende Nase 37, was zu einer schnelleren Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs 28 führt. Wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist, ist die Zündkerze 26 dabei wieder über der vorstehenden Nase 37 angeordnet, so dass sie bei einer Stellung von ca. 20° vor dem oberen Totpunkt (vgl. Figur 10) in einem vorstehenden Bereich 28a des Gemischbereichs 28 liegt. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Figur 11 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei wieder gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel sowohl die Einspritzeinrichtung 25 als auch die Zündkerze 26 in einem Winkel γ bzw. δ zu einer Mittelachse X-X angeordnet sind. Die Neigungswinkel γ, δ der
Einspritzeinrichtung 25 und der Zündkerze 26 sind dabei gleich und unterscheiden sich jeweils nur durch das Vorzeichen. Eine vorstehende Nase 37 in der Mulde 23 im Kolbenboden 22 ist dabei wieder unterhalb der Zündkerze 26 angeordnet, so dass sich eine asymmetrische Ausbildung der Mulde ergibt. Der fladenförmige Gemischbereich 28 bildet sich wieder mit einem vorstehenden Bereich 28a über den vorstehenden Nase 37, so dass in diesem
vorstehenden Bereich 28a eine Zündung des Gemischbereichs 28 erfolgt. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Es sei angemerkt, dass selbstverständlich auch bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen eine Mehrfacheinspritzung durchgeführt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Gemischbereich 28 geschichtet aufgebaut ist, wobei zwischen zwei Kraftstoff- Luftgemischschichten jeweils eine dünne Luftschicht vorhanden ist. Dadurch kann der Luftanteil im Gemischbereich 28 vergrößert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfmdungsgemäßen Verfahrens bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist, dass zur Erzeugung des Gemischbereichs 28 Einspritzeinrichtungen verwendet werden können, welche symmetrische Spraygeometrien erzeugen (ohne eine Spraylücke für die Zündkerze). Dadurch entfällt auch eine Zuordnung der Einspritzeinrichtung zur Zündkerze. Darüber hinaus erfolgt keine Benetzung der Zündkerze mit flüssigem Kraftstoff, was insbesondere die Zündfähigkeit herabsetzen kann.
Eine erfmdungsgemäße Brennkraftmaschine kann dabei sowohl in Fahrzeugen als auch stationär verwendet werden.
Claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (20) mit einer Kraftstoffeinspritzeinrich- tung (25) und einer Zündkerze (26), wobei die Zündkerze (26) in einen Brennraum (29) hineinragt, wobei während eines Kompressionstraktes der Brennkraftmaschine Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27) in den Brennraum (29) eingespritzt wird, und wobei der Kraftstoff derart in den Brennraum (29) eingespritzt wird, dass sich auf einem Kolben (21) ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) aus Kraftstoff und Luft bildet, und zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn einer Zündung eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet wird, bis ein Elektrodenbereich (27) der Zündkerze (26) in den fladenförmigen Gemischbereich (28) eintaucht und dann erst eine Zündung im Inneren des fladenförmigen Gemischbereichs (28) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffs mittels eines Mehrlochventils mit einer Vielzahl von Einspritzlöchern (1-12) oder mittels eines nach außen öffnenden Ringspaltventils erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne zwischen dem Ende der Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der Zündung einer Zeit entspricht, in welcher sich der Kolben (21) über einen Kurbelwinkel von 5° bis 15°, insbesondere von 5° bis 10°, insbesondere 7,5°, bewegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenboden (22) des Kolbens (21) eine Mulde (23) gebildet ist und der fladenförmige Gemischbereich (28) sich in der Mulde (23) bildet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gemischbereich (28) möglichst nahe an oder in seiner Mitte gezündet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (21) eine vorstehende Nase (37) gebildet ist, um in dem fladenförmigen Gemischbereich (28) einen axial vorstehenden Bereich (28a) zu bilden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündung des Gemischbereichs (28) im vorstehenden Bereich (28a) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in mehreren Intervallen und/oder mit mehreren Einspritzeinrichtungen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in Richtung auf die vorstehende Nase (37) im Kolbenboden (22) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
11. Brennkraftmaschine zur Direkteinspritzung von Benzin, umfassend eine Zündkerze (26), einen Kolben (21), eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (25), die Kraftstoff in einen Brennraum (29) bei einem Kompressionstakt derart einspritzt, dass ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) auf dem Kolben (21) entsteht, und eine Steuereinrichtung (34), um einen Zündzeitpunkt der Zündkerze (26) zu bestimmen, wobei die Steuereinrichtung (34) den Zündzeitpunkt derart bestimmt, dass der Zündkerze (26) erst dann ein Zündsignal übermittelt wird, wenn sich ein Elektrodenbereich (27) der Zündkerze (26) im Inneren des Gemischbereichs (28) befindet.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34) den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von einer Kolbenposition bestimmt.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenposition durch Ermittlung eines Kurbelwinkels bestimmbar ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (21) an der Kolbenbodenfläche (22) eine im Wesentlichen kreisförmige Mulde aufweist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben an der Kolbenbodenfläche (22) eine vorstehende Nase (37) aufweist.
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehende Nase (37) und der Elektrodenbereich (27) der Zündkerze (26) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, wobei die gemeinsame Achse parallel zu einer Mittelachse (X-X) des Kolbens (21) ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (23) eine zur Mittelachse (X-X) des Kolbens (21) in einem Winkel (ß) geneigte Grundfläche aufweist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vorstehende Nase an einem Rand der Mulde (23) oder in der Mitte der Mulde (23) angeordnet ist.
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2006
- 2006-09-27 WO PCT/EP2006/066785 patent/WO2007060047A1/de active Application Filing
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