DE19708154C2 - Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Antrieb solcher Brennkraftmaschinen erfolgt bekann­ terweise durch Verbrennung eines Kraftstoff/Luft-Gemi­ sches in den Brennräumen der Brennkraftmaschine, welche in jedem Zylinder jeweils von einem darin längsbeweglich angeordneten Kolben begrenzt sind. Nach der Komprimierung durch den sich im Zylinder aufwärts bewegenden Kolben wird die Verbrennung durch einen elektrischen Zündfunken ausgelöst, welcher zwischen zwei in den Brennraum einra­ genden Elektroden als Lichtbogenentladung in Folge einer anliegenden Zündspannung einer Zündanlage überspringt. Unter der Voraussetzung, daß das vom Zündfunken durch­ schlagene Gemischvolumen zündfähig ist, das heißt, daß die Gemischzusammensetzung innerhalb der Zündgrenzen um den stöchiometrischen Punkt liegt, entflammt das Gemisch­ volumen. Die Flamme entzündet das übrige Gemisch im Brennraum und leitet ausgehend vom Zündort die Verbren­ nung des Kraftstoffes zum Antrieb des Kolbens ein. Eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes, welche zum Er­ reichen einer maximalen Leistung der Brennkraftmaschine, eines sparsamen Kraftstoffverbrauches und einer geringen Abgasemission anzustreben ist, erfordert optimale Zündei­ genschaften, welche neben dem leichten Zutritt des Gemi­ sches zum Zündfunken (Funkenlage) durch eine lange Fun­ kendauer und eine große Funkenlänge, das heißt einen gro­ ßen Abstand zwischen den Elektroden, gefördert sind.

Ein variabler Abstand zwischen den Elektroden ist mög­ lich, indem im Brennraum eine Mittelelektrode einer Zünd­ kerze ortsfest und eine aus einem Kolbenboden ragenden Masseelektrode angeordnet sind. Die Masseelektrode ist dabei von dem Kolben in Richtung auf die Mittelelektrode bewegbar. Abhängig von der Stellung des Kolbens im Zylin­ der bei der Zündung sind durch den dabei auftretenden Ab­ stand von der Masseelektrode zu der Mittelelektrode ver­ schiedene Funkenlängen möglich. Eine solche Brennkraftma­ schine ist aus der WO 87/07682 bekannt. Mit dem Ziel ei­ ner kontrollierten Zündung und Verbrennung wird dabei je­ dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine von einer Vor­ richtung zum Ermitteln der momentanen Betriebslast bei jeder Drehzahl ein spezifischer Zündzeitpunkt zugeordnet. Eine Zündanlage generiert zwischen dem Elektrodenpaar je­ des Zylinders jeweils zum Zündzeitpunkt eine Zündspan­ nung.

Im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine erfolgt die Zündung zu frühen Zeitpunkten bei Kolbenstellungen deutlich vor dem Erreichen des oberen Totpunktes. Dabei wird die Zündung und Verbrennung des in diesem Lastbe­ reich der Brennkraftmaschine mageren Kraftstoff/Luft-Ge­ misches mit der beschriebenen zweiteiligen Elektrodenan­ ordnung durch zwei Faktoren gleichzeitig begünstigt: Zum Einen ergibt sich durch den frühen Zündzeitpunkt eine lange Entflammungszeit. Darüber hinaus wird eine große Funkenlänge erreicht, da die mit dem Kolben bewegliche Masseelektrode zum frühen Zündzeitpunkt weit von der Mit­ telelektrode beabstandet ist. Mit zunehmender Betriebs­ last und zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine er­ folgt die Zündung zunehmend später während des Kompressi­ onshubes des Kolbens und verursacht eine Gemischverbren­ nung mit einem bezüglich der Leistung der Brennkraftma­ schine geeigneten Verbrennungsdruck. Mit der zunehmenden Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt verringert sich entsprechend zunehmend auch der Abstand zwischen den Elektroden zum Zündzeitpunkt. Der Spannungsbedarf zur Auslösung eines Zündfunkens, welcher mit der Betriebslast und somit dem Brennraumdruck steigt, jedoch mit abnehmen­ den Abstand der Elektroden zum Zündzeitpunkt fällt, ist somit über den gesamten Kennfeldbereich der Brennkraftma­ schine annähernd gleich. Die Zündanlage braucht daher le­ diglich Zündspannungen innerhalb enger Grenzen liefern.

Insbesondere im Teillastbetrieb der bekannten Brennkraft­ maschine kommt es jedoch immer wieder zu unvollständiger Verbrennung oder gar Fehlzündungen einzelner Zylinder. Die Zündung erfolgt sequentiell und zu äquivalenten Zünd­ zeitpunkten in allen Zylindern, wobei jedoch der Zustand und auch die stöchiometrische Zusammensetzung des den Brennräumen zugeführten Kraftstoff/Luft-Gemisches schwan­ ken kann. Es kann dabei in den Arbeitsspielen einzelner Zylinder bei äquivalenten Zündzeitpunkten zu einer un­ vollständigen Verbrennung bedingt durch ein für den vor­ liegenden Betriebspunkt zu mageres Gemisch kommen.

Die US-5,590,629 offenbart eine direkteinspritzende Otto- Brennkraftmaschine, bei der die Zündfunken zwischen einer ortsfest in den Brennraum einragenden Mittelelektrode einer Zündkerze und einer aus dem Kolbenboden ragenden und von dem Kolben bewegbaren Masseelektrode ausgelöst werden. Der Injektor zur Direkteinspritzung ist dabei zentral im Brennraumdach angeordnet. Bei der bekannten Einrichtung sind zwei etwa diametral bezüglich der Zylinderachse gegenüberliegende Zündkerzen mit in den Brennraum einragenden Elektroden vorgesehen und der Kolbenboden ist mit zwei in entsprechender Lage den beiden Zündkerzenelektroden im Brennraumdach zugeordneten Kolbenelektroden bestückt. Von den beiden Zündkerzen wird eine mit Zündspannung einer Zündanlage versorgt, wobei gemäß Fig. 1 nach Anlegen der Zündspannung von der ersten Elektrode 30 ein Zündfunke auf die entsprechende Kolben­ bodenelektrode 36 überspringt. Anschließend soll der Zündstrom durch den Kolben zur dritten Elektrode 38 fließen und von dort auf die vierte Elektrode der wiederum im Brennraumdach angeordneten zweiten Zündkerze zurückspringen. Es sind somit pro Zündung zwei Zündfunken vorgesehen, um die Zündsicherheit zu erhöhen, wobei klar sein dürfte, daß der Kolben gegenüber dem Zylindergehäuse elekrisch isoliert sein muß.

Durch die Anordnung zweier aufeinander zubewegbarer Elektrodenpaare wird eine lange Funkenstrecke erreicht, und insbesondere durchschlägt der Zündfunke an zwei unterschiedlichen Stellen den Brennraum. Die Wahrschein­ lichkeit, in dem verdichteten, kraftstoffarmen Gemisch auf der Funkenstrecke kleine Volumina mit örtlicher Kraftstoffanreicherung vorzufinden, die durch den Zünd­ funken entflammbar sind, ist somit verdoppelt. Die Verdoppelung der Funkenstrecke erfordert jedoch zur Auslösung des zweimaligen Funkenüberschlages eine enorme Erhöhung der Zündspannung gegenüber der gattungsgemäßen Kolbenabrißzündung mit einem Elektrodenpaar.

Das bekannte Verfahren erfordert einen enormen baulichen Aufwand, um die Entflammung magerer Gemische zu ermöglichen, wobei bereits geringe Abweichungen der Brennraum- und Elektrodenkonfiguration zur Funktionsun­ tüchtigkeit des Zündsystems führen können. Beispielsweise ist eine präzise Übereinstimmung der Elektrodenpaare erforderlich, um Zündaussetzer zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsge­ mäße Otto-Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine voll­ ständige Verbrennung erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Innere Gemischbildung in den Brennräumen der Otto-Brenn­ kraftmaschine durch direkte Kraftstoffeinspritzung eines Injektors in den Brennraum und die diesem durch ein Ein­ laßventil zugeführte Verbrennungsluft ermöglicht eine gleichmäßige Gemischdosierung nach Zusammensetzung und Menge in allen Zylindern bei der Bildung eines zündfähi­ gen Kraftstoff/Luft-Gemisches. Jeweils gleiche Kraft­ stoffmengen in allen Zylindern fördern bei äquivalenten Zündzeitpunkten übereinstimmende Verbrennungsbedingungen.

Die Direkteinspritzung ermöglicht eine Schichtung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mit verschiedenen Luftverhält­ nissen. Der Schichtladungsbetrieb ist insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine vorteilhaft, da zur Bereitstellung der geringen Leistungsanforderung die eingespritzte Kraftstoffmenge zur Bildung einer begrenz­ ten Gemischwolke mit zündfähigem Gemisch verwendet wird. Große Abschnitte des Brennraumvolumens werden dabei mit zunehmend magerem Gemisch bzw. reiner Verbrennungsluft gefüllt, so daß ein sparsamer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erreicht wird.

Mit der variablen Funkenlänge durch die bewegliche Mas­ seelektrode auf dem Kolben ist die Schichtladung sicher zündbar. Insbesondere im Teillastbereich mit entsprechend geringer Kraftstoffdosierung pro Arbeitsspiel erlaubt die große Funkenlänge entsprechend dem frühen Zündzeitpunkt eine optimale Zündung und hinreichende Gemischverbren­ nung. Der Zündfunke durchschlägt auf seiner langen Fun­ kenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masse­ elektrode einen großen Abschnitt der Schichtladungswolke im Brennraum und dabei Teilvolumina mit unterschiedlichen Luftverhältnissen. Mit Sicherheit kommt der Zündfunke da­ bei zumindest mit Teilvolumina mit zündfähigen Luftver­ hältnissen in Kontakt und verursacht eine Entflammung des übrigen Gemisches auf breiter Front. Mit der inneren Ge­ mischbildung und insbesondere mit Schichtladungsbetrieb durch direkte Kraftstoffeinspritzung während des Kompres­ sionshubes des Kolbens sind mit der beschriebenen, in Ab­ hängigkeit von der Kolbenstellung distanzierbaren Elek­ trodenanordnung in allen Zylindern der Brennkraftmaschine gleich gute Entflammungs- und Verbrennungsbedingungen ge­ schaffen.

Der Injektor liegt zentral und spritzt einen auf den Kolbenboden gerichteten Kraftstoffstrahl ein, wobei mit der Verbrennungsluft eine zentrale Gemischwolke gebildet wird. Dabei werden schädliche Kraftstoffniederschläge auf der Brennraumwand verhindert, welche eine unvollständige Verbrennung mit erhöhten Kohlenwasserstoff- Emissionswerten verursachen. Der Injektor weist eine sol­ che Einspritzdüse auf, mit der der Kraftstoff in einem sich symmetrisch aufweitenden Kegelstrahl in den Brenn­ raum einspritzbar ist, so kann eine Schichtladung mit niedriger Luftzahl, das heißt fettem Gemisch im Kegelkern und positivem Luftzahlgradienten zu einem Strahlmantel stabil ausgebildet werden. Die durch den Kegelstrahl aus­ gebildete Gemischwolke im Zentrum des Brennraums ist si­ cher zündbar, da die Mittelelektrode außerhalb und die Masseelektrode innerhalb des Kegelstrahls liegt. Der zwi­ schen den Elektroden überspringende Zündfunke durch­ schlägt auf seiner Funkenstrecke den Strahlmantel und so­ mit Abschnitte der kegeligen Gemischwolke mit unter­ schiedlichen Luftzahlen. Dabei werden solche Teilvolumina im Strahlmantel mit zündfähigen Luftverhältnissen gezün­ det und bewirken eine unmittelbare Entflammung der übri­ gen Brennraumladung.

Die Zündanlage ist vorteilhaft eine Wechselspannungszün­ danlage, welche beliebig hochtransformierte Zündspannun­ gen liefern kann und darüber hinaus bei Bedarf eine lange Funkendauer oder mehrere Zündimpulse zur Verfügung stellt. Die von der Zündanlage angelegt Zündspannung so­ wie die Funkendauer und insbesondere der Zündzeitpunkt kann von einer Kennfeldsteuerung in Abhängigkeit minde­ stens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine be­ stimmbar sein. Die Zündungs- und Verbrennungsbedingungen in den Brennräumen der Brennkraftmaschine sind dadurch betriebspunktspezifisch verbessert, da mit der Wahl des geeigneten Zündzeitpunktes und damit der entsprechenden Funkenlänge bedingt durch den Abstand der Elektroden Zündfunken erzeugbar sind, welche den hohen Anforderungen insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine genügen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Zylinder-Längsschnitt einer Otto-Brennkraftmaschine,

Fig. 2, Fig. 3 in schematischen Darstellungen Möglichkeiten zur Anordnung der Zündungselektroden im Brennraum,

Fig. 4 einen Zylinder-Längsschnitt einer Otto-Brennkraft­ maschine mit einer die Gemischverbrennung fördern­ den Konfiguration des Kolbenbodens.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 2 einer Otto-Brennkraftmaschi­ ne 1 dargestellt, in dem ein längsbeweglich angeordneter Kolben 3 einen Brennraum 4 begrenzt. Auf einer Zylinder­ achse 18 liegend ist ein Injektor 10 im Brennraumdach 11 angeordnet, welcher Kraftstoff in einem sich zum Kolben­ boden 13 öffnenden Kegelstrahl 12 in den Brennraum 4 ein­ spritzt. Bei Kraftstoffeinspritzung während des Kompres­ sionshubes des Kolbens 3 wird dabei eine geschichtete Brennraumladung gebildet mit Verbrennungsluft, welche in herkömmlicher Weise durch ein oder mehrere Einlaßventile dem Brennraum 4 zugeführt wird. Im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine 1 bewirkt der Kraftstoffkegel 12 die Ausbildung einer geschichteten, zentralen Gemisch­ wolke mit zum Strahlmantel 22 zunehmender Luftzahl λ, das heißt es liegt zunehmend mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch vor.

Nach der inneren Gemischbildung wird die Verbrennung im Brennraum 4 durch einen Zündfunken ausgelöst, welcher im gemischgefüllten Raum zwischen zwei Elektroden 7, 9 über­ springt. Die zur Zündung notwendige Zündspannung, welche eine Lichtbogenentladung (Zündfunken) zwischen den Elek­ troden auslöst, wird von einer Wechselspannungszündanlage 5 geliefert. Die Elektroden 7, 9 sind mechanisch getrenn­ te Bauteile, wobei eine Mittelelektrode 7 Teil einer Zündkerze 6 ist, welche ortsfest im Brennraumdach 11 an­ geordnet ist. Die Masseelektrode 9 ist Teil des Kolbens 3 und ragt aus dem Kolbenboden 13 in den Brennraum 4 ein. Die Zündung wird bei Otto-Brennkraftmaschinen üblicher­ weise während des Kompressionshubes des Kolbens 3 einge­ leitet, wobei der Kolben 3 bei einer derartigen Anordnung der Elektroden 7, 9 die Masseelektrode in Richtung auf die Mittelelektrode 7 bewegt. Jedem möglichen Zündzeit­ punkt ist dadurch geometrisch eine bestimmte Kolbenstel­ lung und damit ein bestimmter Abstand zwischen den Elek­ troden 7, 9 zugeordnet, wobei klar ist, daß der Abstand zwischen den Elektroden der Funkenlänge entspricht. Die Elektroden 7, 9 ragen derart in den Brennraum 4 ein, daß die Mittelelektrode 7 außerhalb und die Masseelektrode 9 innerhalb des Kegelstrahls 12 liegt. Wird zwischen den Elektroden 7, 9 ein Zündfunke ausgelöst, so durchschlägt dieser den Strahlmantel 22 und erfaßt dabei Gemischvolu­ mina mit unterschiedlichen λ-Werten. Die Volumenanteile des Strahlmantels 22, welche zündfähige Luftzahlen auf­ weisen, werden dabei gezündet und entflammen das übrige Gemisch. Die Zündkerze 6 mit der Mittelelektrode 7 und die Masseelektrode 9 sind derart relativ zueinander ange­ ordnet, daß der Strahlmantel 22 bei Schwankungen des Öff­ nungswinkels α des Kegelstrahls 12 zwischen dem freien Ende der Mittelelektrode 17 und der Masseelektrode 9 liegt. Unzulänglichkeiten bei der Fertigung der Injekto­ ren 10 verschiedener Zylinder der Brennkraftmaschine 1 können zwar zu diesen Schwankungen der Öffnungswinkel α der jeweiligen Kegelstrahlen 12 in einem gewissen Tole­ ranzbereich führen, jedoch wird durch die lange Funken­ strecke in jedem Fall die sichere Zündung gewährleistet.

Das Brennraumdach 11 ist kegelig und symmetrisch zur Zy­ linderachse 18 ausgebildet mit einem Öffnungswinkel, wel­ cher größer ist als der maximale Öffnungswinkel α des vom Scheitel des Brennraumdaches 11 ausgehenden Kegelstrahls 12. In den somit zwischen Strahlmantel 22 und Brennraum­ dach 11 gebildeten Spalt des Brennraumes 4 ragt die Mit­ telelektrode 7 ein. Ein freies Ende der Mittelelektrode 7 liegt dabei benachbart des Strahlmantels 22. Eine Benet­ zung der Mittelelektrode 7 mit flüssigem Kraftstoff wird dadurch ausgeschlossen. Die Zündkerze 6 und insbesondere ein die Mittelelektrode 7 umgebender Isolator werden so­ mit vor hoher thermischer Wechselbeanspruchung durch auf der Mittelelektrode 7 verbrennenden Kraftstoff vor erhöh­ tem Verschleiß bewahrt.

Die Zündkerze 6 ist mit Abstand zum Injektor 10 im Brenn­ raumdach 11 angeordnet, so daß bei der Zündung, welche grundsätzlich nach dem Einspritzende erfolgt, der zuerst eingespritzte Kraftstoff verbrannt wird. Es wird verhin­ dert, daß der bei Einspritzbeginn zunächst in den Brenn­ raum 4 eintretende Kraftstoff zu weiträumig im Brennraum 4 verteilt und mageres Gemisch gebildet wird und daher eine gleichmäßige Verbrennung der brennbaren Gemischwolke im Zentrum des Brennraums 4 sichergestellt.

Um eine vollständige Verbrennung in sämtlichen Betriebs­ punkten der Brennkraftmaschine 1 und dementsprechend un­ terschiedlichen Verbrennungsbedingungen in den Brennräu­ men 4 zu erreichen, ist jedem Betriebspunkt ein spezifi­ scher Zündzeitpunkt zugeordnet. Bei geringer Betriebslast erfolgt die Zündung zu einem frühen Zeitpunkt, das heißt bei Kolbenstellungen deutlich vor Erreichen des oberen Totpunktes und damit entsprechend großen Abständen zwi­ schen der Mittelelektrode 7 und der Masseelektrode 9 am Kolbenboden 13. Mit zunehmender Betriebslast der Brenn­ kraftmaschine erfolgt die Gemischzündung zunehmend später mit zunehmender Annäherung des Kolbens 3 an das Brenn­ raumdach 11 und damit zunehmender Annäherung der Zünd­ elektroden 7, 9. Die zur Auslösung eines Zündfunkens not­ wendige Zündspannung steigt mit zunehmendem Brennraum­ druck und fällt mit abnehmendem Elektrodenabstand, so daß bei der Elektrodenanordnung mit einer bewegbaren Masse­ elektrode 9 wegen der antiproportionalen Wechselbeziehung Brennraumdruck/Elektrodenabstand im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine 1 mit einer annähernd gleichbleibenden Zündspannung sichere und spontane Gemischzündungen er­ reichbar sind. Der günstigste Zündzeitpunkt für den je­ weils vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird von einer Kennfeldsteuerung 15 bestimmt, der die je­ weils günstigsten Zündzeitpunkte im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine 1 im Voraus bekannt sind. Unter Zu­ grundelegung laufend gemessener Betriebsparameter 16 der Brennkraftmaschine 1 steuert die Kennfeldsteuerung 15 die Wechselspannungszündanlage 5 und veranlaßt jeweils zum günstigsten Zündzeitpunkt das Anliegen der notwendigen Zündspannung an den Elektroden 7, 9.

Fig. 2 zeigt einen Zylinder 2 mit einem sich darin in der Kompressionsbewegung befindenden Kolben 3 zum Zündzeit­ punkt. Durch Anliegen der Zündspannung zwischen der orts­ fest angeordneten Mittelelektrode 7 und der mit dem Kol­ ben 3 bewegbaren Masseelektrode 9 springt ein Zündfunke über. Die Funkenstrecke 20 zwischen den Elektroden 7, 9 durchstößt dabei den Strahlmantel 22 des Kraftstoffkegels 12, welcher durch eine Kegelstrahldüse 14 eines Injektors 10 direkt in den Brennraum 4 eingespritzt wird. Der In­ jektor 10 ist dabei, wie bereits in Fig. 1 beschrieben, zentral im Brennraumdach 11 angeordnet. Die Elektroden 7, 9 sind im Brennraum 4 derart arrangiert, daß ein freies Ende 17 der Mittelelektrode auf einer gemeinsamen Geraden 19 mit der Bewegungsbahn der Masseelektrode 9 liegt. Die Funkenlänge entsprechend dem Abstand zwischen den Elek­ troden ändert sich dabei proportional mit dem Kolbenweg. Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine mit geringer Kraftstoffdosierung wird ein früher Zündzeitpunkt ge­ wählt, in welchem dem Abstand der Elektroden entsprechend eine lange Funkenstrecke vorliegt. Der zwischen den Elek­ troden 7, 9 überspringende Zündfunke durchschlägt dabei den Strahlmantel 22 des Kegelstrahls 12. Dabei werden Ge­ mischvolumina unterschiedlicher Luftzahlen in der zentra­ len Gemischwolke von dem Zündfunken erfaßt. Mit der im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine annähernd kon­ stant gehaltenen Zündspannung ist eine sehr große maxima­ le Funkenlänge 20a im unteren Teillastbetrieb bzw. Leer­ lauf der Brennkraftmaschine erreichbar. Die maximale Fun­ kenlänge 20a kann durch den Einsatz einer Wechselspan­ nungszündanlage (Fig. 1) bis zu 10 mm betragen. Mit die­ ser großen Funkenlänge 20a können insbesondere im unteren Teil des Betriebs auch bei möglichen Schwankungen des Öffnungskegels des Kegelstrahls 12 optimale Verbrennungs­ bedingungen geschaffen werden. Zum wesentlichen Faktor bei der gleichmäßigen Verbrennung in allen Zylindern der Brennkraftmaschine wird somit die gleichmäßige Kraft­ stoffdosierung, welche durch die Direkteinspritzung in jedem Brennraum 4 sichergestellt ist.

Ein Isolator 8 der Zündkerze 6 umgibt die Mittelelektrode 7 und ragt mit der Mittelelektrode so weit in den Brenn­ raum 4 ein, daß das freie Ende der Mittelelektrode 7 ge­ genüber dem Brennraumdach elektrisch isoliert ist. Die Einraglänge des Isolators 8 in den Brennraum 4 ist dabei so gewählt, daß die Strecke zwischen dem freien Ende 17 der Mittelelektrode 7 zum Brennraumdach 11 etwa das dop­ pelte oder mehr der maximalen Funkenlänge 20a beträgt.

Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung der ortsfesten Mittelelektrode 7 und der mit dem Kolben bewegbaren Mas­ seelektrode 9. Die Masseelektrode 9 liegt auf dem Kolben­ boden 13 exzentrisch zur Zylinderachse 18 in Richtung der radialen Lage der Mittelelektrode 7. Die Masseelektrode 9 liegt dabei in radialer Richtung zwischen der Zylinder­ achse 18 und der Zündkerze 6, wobei die Bewegungsbahn der Masseelektrode 9 benachbart dem freien Ende 17 der Mit­ telelektrode 7 verläuft. In der Endphase der Kompressi­ onsbewegung des Kolbens 3 wird die Masseelektrode 9 am freien Ende 17 der Mittelelektrode 7 vorbeigefahren. Zum Kolbenboden 13 erweitert sich die Masseelektrode 9 ste­ tig, so daß beim Vorbeifahren am freien Ende 17 der Mit­ telelektrode 7 der Abstand zwischen den Elektroden sich ständig verkleinert. Mit der gezeigten Parallelführung der Masseelektrode 9 an der Mittelelektrode 7 vorbei steht im Vergleich zur Senkrechtführung (Fig. 2) ein grö­ ßerer Zeitraum für die Auslösung des Zündfunkens zur Ver­ fügung. Die Funkenstrecke 20 verkleinert sich mit zuneh­ mend späterem Zündzeitpunkt, das heißt bei Annäherung des Kolbens 3 an den oberen Totpunkt nur geringfügig gegen­ über dem vom Kolben 3 zurückgelegten Weg. Innerhalb rela­ tiv großer Zündintervalle bzw. Drehwinkelbereiche der Kurbelwelle bleibt die Funkenlänge 20 relativ konstant, was in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine anzustreben ist.

Die Masseelektrode 9 ist ein sich zum freien Ende verjün­ gender Körper, welcher mit seiner der Mittelelektrode 7 zugewandten Seite, auf die der Zündfunke überspringt, die Zünd- und Verbrennungscharakteristik des im Brennraum 4 gebildeten Gemisches nachhaltig beeinflußt. Je nachdem, welche Abhängigkeit der Funkenlänge 20 vom Zündzeitpunkt gewünscht ist, kann die Masseelektrode 9 als Kegelstumpf oder als Fläche zweiter Ordnung, zum Beispiel als Hyper­ boloid oder Paraboloid ausgeführt sein.

In Fig. 4 ist eine Otto-Brennkraftmaschine 1 mit einer Stellung des Kolbens 3 im Zylinder 2 zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubes ge­ zeigt. Der Zugang eines im Zylinderkopf 24 angeordneten Injektors 10 zum Brennraum 4 liegt mit einer Einspritz­ düse 14 etwa zentral in einem Brennraumdach 11. Zur Bil­ dung einer zentralen Gemischwolke im Brennraum 4 wird der Kraftstoff von der Einspritzdüse 14 in einem auf den Kol­ benboden 13 gerichteten Kegelstrahl 12 eingespritzt. Der Kolben 13 trägt zentrisch eine in den Brennraum 4 einra­ gende Masseelektrode, welche mit dem Kolben 3 im Zylinder 2 aufwärts in Richtung einer ortsfest im Brennraumdach 11 angeordneten Mittelelektrode 7 einer Zündkerze 6 bewegbar ist.

Durch Anlegen einer entsprechenden Zündspannung ist ein Zündfunke zwischen der Mittelelektrode 7 und der Masse­ elektrode 9 auslösbar, welcher das im Brennraum 4 gebil­ dete Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet.

Der Kraftstoffstrahl 12 trifft auf den sich aufwärtsbewe­ genden Kolben 3 und wird unter Zerstäubung zur Gemisch­ bildung mit der durch separate Einlaßventile zugeführten Verbrennungsluft in den Brennraum 4 reflektiert. Die Mas­ seelektrode 9 liegt dabei im Zentrum der Auftrefffläche für den Kraftstoffstrahl 12 und bildet gemeinsam mit ei­ ner konzentrisch zur Masseelektrode 9 im Kolbenboden 13 ausgebildete Mulde 21 eine gemeinsame Radialschaufel-Kon­ tur aus. Die Masseelektrode 9 ist auf den Injektor 10 bzw. dessen Einspritzdüse 14 gerichtet angeordnet. Durch ihre Lage auf einer Injektorachse 23 teilt die Masseelek­ trode 9 den auftreffenden Kraftstoffstrahl, dem beim an­ schließenden Durchfließen der Mulde 21 ein einwärtsge­ richteter Drehimpuls erteilt wird. Nach dem Strömungsab­ riß an einer gemeinsamen Kante der Mulde 21 mit dem Kol­ benboden 13 wird der Kraftstoff aus Gründen der Impulser­ haltung torusförmig in den Brennraum 4 reflektiert. Da­ durch wird die Bildung einer zentralen Gemischwolke mit niedriger Luftzahl, das heißt höherer Kraftstoffkonzen­ tration gefördert. Das zu zündende Gemisch wird durch die starke Wirbelbildung im Zentrum des Brennraums 4 und dem­ zufolge an der vorherbestimmten Zündstelle benachbart mit der Mittelelektrode 7 gehalten. Darüber hinaus werden durch die einwärtsgerichteten Toruswirbel Kraftstoffabla­ gerungen an der Zylinderwand wirkungsvoll verhindert.

Die Masseelektrode 9 wird aufgrund ihrer zentralen Lage am Kolben 3 bei der Verbrennung stark aufgeheizt, wobei der auftreffende Kraftstoff unmittelbar verdampft. Insbe­ sondere im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine wird dadurch die Bildung eines zündfähigen Kraftstoff- Luft-Gemisches unterstützt. Der verdampfende Kraftstoff kühlt überdies die Masseelektrode 9 und reduziert dadurch die Klopfneigung bei der Verbrennung. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit homogener Gemischbildung, das heißt Kraftstoffeinspritzung während des Saughubes des Kolbens 3, kann durch Kühlung der Masseelektrode 9 mit­ tels eines vor der Zündung auf die Masseelektrode ge­ brachten Kraftstoffspritzers eine Verbesserung der Ver­ brennungsbedingungen erreicht werden.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 liegt die Injektor­ achse 23 geringfügig angestellt zu einer Zylinderachse 18. Der Injektor 10 und die Zündkerze 6 sind somit im Zy­ linderkopf 24 beiderseits der Zylinderachse 18 angeord­ net. Somit liegt der Strahlmantel des Kegelstrahls 12 von der Mittelelektrode 7 der Zündkerze 6 entfernt. Obwohl die Mittelelektrode 7 nahe der Bewegungsbahn der Masse­ elektrode 9 (Zylinderachse 18) in den Brennraum 4 ragt, ist eine Benetzung der Mittelelektrode 7 durch flüssigen Kraftstoff, welcher unvollständig verbrannt würde, weit­ gehend verhindert.

Claims (11)

1. Otto-Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), in dem ein von einem längsbeweglich angeordneten Kolben (3) begrenzter Brennraum (4) gebildet ist, mit einer ortsfest in den Brennraum (4) einragenden Mittelelektrode (7) einer Zündkerze (6) und einer aus einem Kolbenboden (13) in den Brennraum (4) ragenden und von dem Kolben (3) in Richtung auf die Mittelelektrode (7) bewegbaren Masseelektrode (9) sowie mit einer eine Zündspan­ nung liefernden Zündanlage (5), durch die zu einem vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) abhän­ gigen Zündzeitpunkt ein von der Mittelelektrode (7) auf die Masseelektrode (9) überspringender Zündfun­ ke zur Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches aus­ lösbar ist, und mit einem in einem Brennraumdach (11) angeordneten Injektor (10), durch den Kraft­ stoff direkt in den Brennraum (4) einspritzbar ist zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff/Luft- Gemisches mit durch ein Einlaßventil zuführbarer Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (10) eine Kegelstrahldüse (14) zur Abspritzung eines sich symmetrisch aufweitenden Kegelstrahls (12) aufweist, wobei die Mittelelektrode (7) außerhalb und die Masseelektrode (9) innerhalb des Kegel­ strahls (12) liegt.

2. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor zentral liegt und einen auf den Kolbenboden (13) gerichteten Kraftstoffstrahl (12) einspritzt.

3. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanlage eine Wechselspannungszündanlage (5) ist.

4. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt sowie die Funkendauer von ei­ ner Kennfeldsteuerung (15) in Abhängigkeit minde­ stens eines Betriebsparameters (16) der Brennkraft­ maschine (1) bestimmbar sind.

5. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein freies Ende (17) der Mittelelektrode (7) benachbart eines Strahlmantels (22) des Kegel­ strahls (12) liegt.

6. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand des freien Endes (17) der Mittelelektrode (7) zum Brennraumdach (11) minde­ stens das zweifache der maximal vorgesehenen Fun­ kenstrecke (20) beträgt.

7. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (6) mit Abstand zum Injektor (10) im Brennraumdach (11) angeordnet ist.

8. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (9) exzentrisch zur Zylin­ derachse (18) in Richtung der radialen Lage der Mittelelektrode (7) angeordnet ist.

9. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (17) der Mittelelektrode (7) auf einer gemeinsamen Geraden (19) mit der Bewegungs­ bahn der Masseelektrode (9) liegt.

10. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (7) benachbart der Bewe­ gungsbahn der Masseelektrode (9) angeordnet ist, wobei die Masseelektrode (9) sich zum Kolbenboden (13) stetig erweitert und vor Erreichen des oberen Totpunktes der Kolbenbewegung am freien Ende (17) der Mittelelektrode (7) vorbeifährt.

11. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und/oder einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (9) auf den Injektor (10) weisend angeordnet ist und mit einer konzentrisch zur Masseelektrode (9) im Kolbenboden (13) ausge­ sparten Mulde (21) eine gemeinsame Radialschaufel- Kontur bildet.