DE19749295A1 - Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brenn­ kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die innere Gemischbildung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes mit separat zugeführter Verbrennungsluft ermöglicht einen Schichtladungsbetrieb, welcher in weiten Teillastbereichen der Brennkraftmaschine eine deutliche Verringerung des Kraftstoffverbrauches im Vergleich mit anderen bekannten Gemischbildungs-Verfahren erreicht. Die geschichtete Brennraumladung wird dabei durch Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionshubes des Kolbens erreicht, wobei sich in der kurzen Zeitspanne zur Gemischaufbereitung zwischen Kraftstoffeinspritzung und Gemischzündung inhomogenes, geschichtetes Gemisch mit hoher Kraftstoffkonzentration im Bereich des Kraftstoffstrahls bildet. Es liegt also im Brennraum bereichsweise zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch in Form einer Gemisch­ wolke vor, um die herum die Gemischverhältnisse zunehmend magerer werden, so daß die Otto-Brennkraftmaschine insge­ samt mit Luftüberschuß betrieben werden kann. Eine stabile Ladungsschichtung, welche eine weitgehende Entdrosselung im Teillastbereich und sogar einen drosselfreien Betrieb im Leerlauf ermöglicht, wird durch Einspritzung eines kegel­ förmigen Kraftstoffstrahls erreicht, wobei der Injektor mit einer entsprechenden Einspritzdüse ausgestattet wird.

Die Gemischwolke ist durch einen zwischen Elektroden einer Zündkerze überspringenden Zündfunken zu zünden. Die Zündung der stabilen Schichtladung mit Luftüberschuß erfolgt oft mit einer unmittelbar dem Injektor benachbart angeordneten Zündkerze, wodurch sichergestellt ist, daß zündfähiges, d. h. kraftstoffreiches Gemisch vom Zündfunken erfaßt wird.

Eine solche Otto-Brennkraftmaschine ist bereits aus der DE 43 24 642 A1 bekannt. Die Zündung und Entflammung des Gemisches erfolgt im Schichtladungsbetrieb rasch nach Been­ digung der Kraftstoff-Einspritzung, bevor eine zunehmende Homogenisierung des geschichteten Gemisches eintritt und die zündfähige Gemischwolke sich in Richtung des Kraft­ stoffstrahls von den injektornah angeordneten Elektroden fortbewegt. Die Elektroden der Zündkerze ragen bei der bekannten Anordnung tief in den Brennraum und ins Innere des bei der Einspritzung erzeugten kegelförmigen Kraft­ stoffstrahls. Die Elektroden werden bei der Einspritzung mit Kraftstoff benetzt, welcher bis zum Zündzeitpunkt nicht vollständig verdampfen kann und beim Verbrennungsvorgang Ablagerungen auf den Elektroden verursacht. Die zunehmende Verkokung der Elektroden führt zu Gleitentladungen und somit zu Zündaussetzern und die Zündkerze wird rasch funktionsuntüchtig. Darüberhinaus steht bei einem solchen "strahlgeführten" Direkteinspritzkonzept, wobei der Kraftstoff von der Strömungsbewegung im Kraftstoffstrahl an die injektornahen Elektroden gebracht wird, bis zum Zündzeitpunkt nur eine kurze Zeitspanne zur Gemischauf­ bereitung zur Verfügung, so daß häufig Rußentwicklung aufgrund unvollständiger Kraftstoffverbrennung bei ungenü­ gender Gemischaufbereitung zu beobachten ist.

Die DE 195 46 945 A1 offenbart eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine, bei der die Elektroden der Zündkerze außerhalb des Kegelmantels des Kraftstoffstrahls angeordnet sind und daher bei der Einspritzung nicht mit Kraftstoff benetzt werden, so daß Verkokungen ausgeschlossen sind. Das Brennraumdach ist etwa kegelförmig ausgebildet und verläuft mit Abstand parallel zu dem Kegelmantel. Durch den zwischen Kraftstoffkegel und Brennraumdach gebildeten Luftspalt soll ein Luftstrom, welcher zuvor vom Einspritzstrahl verdrängt wurde, aus Kontinuitätsgründen entgegen der Strahlrichtung zurückströmen und eine Wirbelströmung auslösen, welche Kraftstofftröpfchen bzw. Gemisch aus dem Kegelmantel mitreißt und zu den Elektroden transportiert. Die strömungsmechanische Ausbildung der Gemischwirbel, in die die Elektroden einragen müssen, ist jedoch unkon­ trollierbar. Bei geringer Wirbelstärke im Bereich der Zünd­ kerze kann nicht genügend Kraftstoff aus dem Kegelmantel gelöst werden, um zündfähiges Gemisch zwischen die Elektro­ den zu bringen. Zündaussetzer sind die unvermeidliche Folge.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß im Schichtladungsbetrieb eine genügende Aufbereitung sowie eine stabile Entflammung und Verbrennung des Kraft­ stoff/Luft-Gemisches dauerhaft gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Brennraumdachs ermöglicht, daß trotz der Anordnung der Elektroden abseits des Kegelmantels zündfähiges, kraftstoffreiches Gemisch herangeführt wird. Die nahe Lage des Kegelmantels an der Wandung des Brennraumdaches löst eine auswärts gerichtete Ablenkung der im Kegelmantel geführten Kraftstofftröpfchen aus. Die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls wird dabei von der seitlich nahen Brennraumwandung beeinflußt, indem an der Brennraumwandung ein Unterdruck entsteht, welcher ein Anziehen der Strömungsschichten des Kegelmantels erzwingt. Diese Ablenkungserscheinung einer benachbart eines Festkörpers ausgebildeten Strömung wird als Coanda-Effekt bezeichnet, der mit einfachen Mitteln den Transport zündfähigen Gemisches zur Zündkerze ermöglicht. Durch die Länge in Mantellinienrichtung des Kegelmantels und die Breite des Strahlbereiches, welcher nahe der Wandung des Brennraumdaches entlanggeführt wird, kann das Maß der Ablenkung in Richtung der Elektroden der Zündkerze variiert werden. Unter Ausnutzung des Coanda-Effektes kann die Entfernung zwischen Injektor und den Elektroden vergrößert werden, wodurch bis zur Zündung eine genügende Gemischaufbereitung erfolgt und Rußbildung zuverlässig vermieden ist.

Vorteilhaft erhebt sich zwischen Injektor und Zündkerze ein etwa parallel zur Mantellinie des Kegelmantels verlaufender Führungssteg, welcher die radiale Ablenkung des Kegelman­ tels zur Zündkerze bewirkt und das Brennraumvolumen kaum herabsetzt.

Der Führungssteg kann bis an eine Aufnahmeöffnung der Zünd­ kerze im Brennraumdach heranreichen, wodurch die Ablenkung infolge des Coanda-Effektes verstärkt ist. Sind die Elek­ troden im Mündungsbereich der Aufnahmeöffnung der Zündkerze angeordnet, so werden sie von der Leibung des Führungssteges zuverlässig vor einer Kraftstoffbenetzung geschützt.

Weitere erfinderische Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Brennraum einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 in einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 den vom Brennraumdach ausgebildeten Führungssteg,

Fig. 3 eine Draufsicht des Zylinderkopfes gemäß Fig. 1 vom Brennraum aus.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 2 einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1 dargestellt, in dem ein Kolben 3 längsbeweglich angeordnet ist. Der Kolben 3 begrenzt mit einem von der Innenseite eines Zylinderkopfes 4 gebildeten Brennraumdach 7 einen Brennraum 5 im Zylinder 2. Das Brenn­ raumdach 7 ist trichterförmig ausgebildet, wobei der Scheitel des Brennraumdaches 7 zentrisch im Zylinder 2 liegt. Im Scheitel des Brennraumdaches 7 ist ein Injektor 6 angeordnet, welcher zur inneren Gemischbildung mit separat zugeführter Verbrennungsluft einen kegelförmigen Kraft­ stoffstrahl 9 in den Brennraum 5 einspritzt.

Der Kraftstoffstrahl 9 öffnet sich auf den Kolben 3 gerichtet symmetrisch zu einer Zylinderachse 12 im Schicht­ ladungsbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wobei der Kraft­ stoff während des Kompressionshubes des Kolbens 3 eingespritzt wird. Im Brennraum 5 bildet sich entsprechend der kegelförmigen Kontur des Einspritzstrahls 9 eine zentrale Gemischwolke mit kraftstoffreichem, zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch. In radialer Richtung wird das Gemischverhältnis der Gemischwolke zunehmend magerer. Das trichterförmige Brennraumdach 7 liegt vom Kegelmantel 10 des Kraftstoffstrahls 9 weit entfernt und ermöglicht eine freie Ausbreitung des Kraftstoffstrahls 9, wodurch die stabile Schichtung bei der Gemischbildung begünstigt ist.

Das Gemisch ist durch einen Zündfunken zu zünden, welcher zwischen den Elektroden 11a, 11b einer Zündkerze 8 über­ springt. Die Elektroden 11a, 11b liegen dabei außerhalb des Kegelmantels 10. Um zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zu den Elektroden 11a, 11b zu transportieren, ist das Brenn­ raumdach derart gestaltet, daß der Kegelmantel 10 bei der Einspritzung in einem sich zwischen Injektor 9 und den Elektroden der Zündkerze 8 erstreckenden Abschnitt unmittelbar benachbart der Wandung des Brennraumdaches 7 gebildet wird.

Die wandnahe Ausbildung des Kegelmantels in dem zwischen Injektor 6 und Zündkerze 8 liegenden Abschnitt des Brenn­ raumdaches wird dadurch erreicht, daß sich ein Führungssteg 13 aus dem betreffenden Abschnitt des Brennraumdaches 7 erhebt, welcher etwa parallel zur Mantellinie des Kegelman­ tels 10 verläuft. Der nahe dem Führungssteg 13 entstehende Unterdruck infolge des Coanda-Effektes saugt die im Kegel­ mantel geführte, kraftstoffreiche Gemischströmung an. Die durch den Führungssteg herbeigeführte Ablenkung des in Richtung einer Mantellinie des Kegelstrahls 10 strömenden Kraftstoffes bringt zündfähiges Gemisch zwischen die Elektroden 11a, 11b der Zündkerze 8. Trotzdem die Elektro­ den 11a, 11b geometrisch außerhalb des Kegelmantels 10 liegen und somit nicht vom Kraftstoffstrahl 9 erfaßt werden und mit Kraftstoff benetzt werden, wird im Schichtladungs­ betrieb der Brennkraftmaschine 1 zündfähiges Gemisch vom Zündfunken erfaßt und eine sichere Entflammung der Gemisch­ wolke im Brennraum 5 herbeigeführt.

Der Führungssteg 13 reicht bis an eine Aufnahmeöffnung 15 der Zündkerze 8 im Brennraumdach 7 heran, wodurch der Coanda-Effekt die abgelenkte Gemischströmung in den Mün­ dungsbereich der Aufnahmeöffnung 15 zwingt. Die Leibung des Führungssteges 13 bildet im Mündungsabschnitt der Aufnahme­ öffnung 15 eine Zündkammer, in der das abgelenkte Gemisch gezündet wird und die Brennraumladung auf breiter Front entflammt. Die Elektroden 11a, 11b liegen dabei etwa auf Höhe der Oberfläche des Führungssteges 13 und werden von der Leibung vor dem Anspritzen mit flüssigem Kraftstoff geschützt. Die Zündkerze 8 kann vorteilhaft derart angeord­ net werden, daß ihre axiale Erstreckung, welche die Funken­ strecke zwischen den Elektroden 11a, 11b bestimmt, etwa senkrecht zum Kegelmantel 10 des Kraftstoffstrahls 9 liegt.

Die Fig. 2 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 das Profil des Führungssteges 13, welches die erfindungsgemäße Ablenkung der Kraftstoffströmungen des Kegelmantels auf die Elektroden begünstigt. Der aus der Brennraumwand 7 erhabene Führungssteg 13 ist mit einer Kehle 14 versehen, welche sich über die Breite des Führungssteges 13 erstreckt. Die Kehle 14 bildet die ablen­ kend auf den eingespritzten Kraftstoffkegel wirkende Ober­ fläche des Führungssteges 13. Sie ist kreisabschnittsförmig geformt und umfaßt daher den Kegelmantel des Kraftstoff­ strahls in dem unter Ausnutzung des Coanda-Effektes zu beeinflussenden Mantelabschnitt zwischen Injektor und den Elektroden der Zündkerze. Der Radius R der Kehle 14 ist dabei konzentrisch zum Kraftstoffstrahl ausgebildet. Bei der Kraftstoffeinspritzung liegt der Führungssteg 13 somit über eine genügende Breite nahe dem Kraftstoffkegel.

Die Stärke der durch den Coanda-Effekt herbeigeführten Saug- und Auslenkungswirkung am Kegelstrahl ist sowohl durch Variation der Länge als auch der Breite des Führungs­ steges 13 variierbar, d. h. dem durch die Kehle 14 gebildeten Bogenwinkel, welcher den Kegelstrahl umfaßt. Durch geeignete Wahl der Länge des Führungssteges 13 bzw. dessen Breite (Umfangswinkel der Kehle 14) ergeben sich bei der Gestaltung des Führungssteges 13 eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Beeinflussung des Kegelstrahls 9 mit Hilfe des Coanda-Effektes. Die Positioniermöglichkeiten für die Elektroden der Zündkerze sind erheblich erweitert. Die freie Wahl der Funkenlage im Brennraum schafft optimale Betriebsbedingungen im Hinblick auf die Gemischaufbereitung einerseits und die Gemischentflammung und -verbrennung andererseits, deren jeweilige Anforderungen an die räumliche Anordnung des Injektors und der Zündkerze relativ zueinander teilweise im Gegensatz zueinander stehen. Sowohl eine injektornahe als auch eine injektorferne Funkenlage ist bei grundsätzlich außerhalb des Kegelmantels liegenden und daher vor Verkokungen geschützten Elektroden der Zünd­ kerze möglich.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des im Zylinderkopf trichter­ förmig ausgebildeten Brennraumdaches 7, aus dem sich in radialer Erstreckung der Führungssteg 13 erhebt. Der Führungssteg 13 erstreckt sich ausgehend vom Injektor 6 über die im Zylinderkopf ausgebildete Aufnahmeöffnung 15 für die Zündkerze 8 hinaus bis nahe der Wand des Zylinders 2. Der auf den Kraftstoffkegel wirkende Abschnitt des Führungssteges 13 zwischen Injektor 6 und Zündkerze 8 erhebt sich höher als der radial hinter der Aufnahmeöffnung 15 liegende Abschnitt, wie aus der Fig. 1 als Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 3 deutlich hervorgeht. Über die radiale Lage der Zündkerze 8 im Brennraumdach 7 bzw. über die Lage der Elektroden 11a, 11b wird der Verbrennungsvorgang im Brennraum maßgeblich beeinflußt. Sie kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Führungssteges 13 und der dadurch erreichten Wirkungsweise frei gewählt werden, so daß die Möglichkeiten der Verbrauchssenkung, welche die Direkteinspritzung im Schichtladungsbetrieb prinzipiell bietet, besser genutzt werden können.

In Umfangsrichtung des Brennraumdaches 7 liegt die Aufnahmeöffnung 15 der Zündkerze 8 etwa mittig im Bereich des Führungssteges 13. Die Elektroden 11a, 11b sind in der Einbaulage der Zündkerze 8 im Mündungsbereich 16 der Aufnahmeöffnung 15 angeordnet und liegen dabei etwa auf Höhe des Grundes der am Führungssteg 13 ausgebildeten Kehle 14. Aufgrund der bogenförmigen Ausgestaltung der Kehle 14 und der Schräglage der Zündkerze zur Zylinderachse ist der im Mündungsbereich 16 gebildete Rand der Aufnahmeöffnung 15 in Richtung auf den Injektor 6 gestreckt. Das Einströmen des aufgrund des Coanda-Effektes abgelenkten Kraftstoff/Luft-Gemisches in die Zündkammer im Mündungsbe­ reich 16 und der Transport zwischen die Elektroden 11a, 11b ist somit erleichtert.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Brennraumdaches 7 zur Beeinflussung des Kegelstrahls des Injektors 6 und zum Transport von zündfähigem Gemisch zur Zündkerze 8 ist bei einer Otto-Brennkraftmaschine unabhängig von der Lage der Gaswechselventile 17 im Brennraumdach 7 anwendbar. Die Strömungsgeschwindigkeit im Gemischkegel bzw. der zentral im Schichtleitungsbetrieb gebildeten Gemischwolke wird im wesentlichen von dem mit hohem Druck eingespritzten Kraft­ stoffstrahl bestimmt. Die Beeinflussung des Kegelstrahls mit Hilfe des Coanda-Effektes erfolgt unabhängig von dem gewählten Gemischbildungskonzept und den Strömungsrich­ tungen der Verbrennungsluft beim Eintritt in den Brennraum.

Claims (8)

1. Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (2), in dem ein Brennraum (5) begrenzt ist von einem längsbeweglichen Kolben (3) und einem von der Innenseite eines Zylinderkopfes (4) gebildeten Brennraumdach (7), und mit einem Injektor (6) pro Zylinder zur Einspritzung eines kegelförmigen Kraftstoffstrahls (9) in den Brennraum (5), wobei mit separat zugeführter Verbrennungsluft ein Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wird, welches durch einen zwischen Elektroden (11a, 11b) einer Zündkerze (8) überspringenden Zündfunken zu zünden ist, wobei die Elektroden (11a, 11b) außerhalb eines Kegelmantels (10) des Kraftstoffstrahls (9) liegen, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennraumdach (7) derart gestaltet ist, daß der Kegelmantel (10) bei der Einspritzung in einem sich zwischen Injektor (6) und Zündkerze (8) erstreckenden Abschnitt unmittelbar benachbart der Wandung des Brennraumdaches (7) gebildet wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Injektor (6) und Zündkerze (8) ein etwa parallel zur Mantellinie des Kegelmantels (10) verlaufender Führungssteg (13) aus dem Brennraumdach (7) erhebt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungssteg (13) bis an eine Mündung (16) einer im Zylinderkopf (5) ausge­ bildeten Aufnahmeöffnung (15) für die Zündkerze (8) heranreicht.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungssteg (13) mit einer vorzugsweise runden Kehle (14) versehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R) der Kehle (14) konzentrisch zum Kraftstoffstrahl ausgebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11a, 11b) der Zündkerze (8) im Bereich der Mündung (16) der Aufnahmeöffnung (15) angeordnet sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennraumdach (7) trichterförmig ausgebildet ist und der Injektor (6) im Scheitel des Brennraumdaches (7) angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitel des Brenn­ raumdaches (7) zentrisch liegt.