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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine zur Benzindirekteinspritzung
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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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° ≤ α ≤ 110°.
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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.
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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.
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Besonders
bevorzugt wird nahe einem oder an einem mittleren Bereich des fladenförmigen Gemischbereichs
gezündet,
um möglichst
kurze Flammenwege durch den gesamten Gemischbereich zu haben.
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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 Positionierung des Einspritzventils möglichst mittig im Zylinderkopf
zu realisieren, ist die vorstehende Nase vorzugsweise an einem Rand
der Mulde am Kolbenboden angeordnet.
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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.
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Um
eine schnellere Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs zu erreichen,
erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise auf die vom Kolbenboden
vorstehende Nase.
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Das
erfindungsgemäße 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.
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Ferner
wird erfindungsgemäß 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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°.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2a und 2b schematische
Darstellungen der Einspritzung von Kraftstoff mittels eines Mehrlochventils,
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3 eine
schematische Darstellung einer Spraywolke eines nach außen öffnenden
Ringspaltventils (A-Ventil),
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4a und 4b schematische
Ansichten einer Einspritzung mittels eines Mehrlochventils gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 und 6 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 und 8 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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9 und 10 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und
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11 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Wie
in 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 2a ersichtlich. Die Zündkerze 26 ist
eine herkömmliche Zündkerze
und weist an ihrem in einen Brennraum 29 vorstehenden Ende
Elektroden 27 auf.
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Aus
den 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 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 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.
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Erfindungsgemäß 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 2a gezeigt, sind die Strahlachsen der Löcher des
Mehrlochventils dabei derart gewählt,
dass sie etwa denselben Raumwinkelabstand aufweisen.
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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 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.
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Die
Bildung des Gemischbereichs 28 erfolgt dabei in einem Bereich
zwischen 35° vor
dem oberen Totpunkt und ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt. 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 1 gezeigt,
erreicht.
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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°.
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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 erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäße Verfahren.
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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 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 3 liegt dabei vorzugsweise zwischen 70° und 110°. Durch die
Einspritzung mittels des Ringspaltventils wird ebenfalls ein homogener,
fladenartiger Gemischbereich 28 wie in 1 auf
dem Kolben erzeugt, wobei der Kolben das auftreffende Kraftstoff-Luft-Gasgemisch
horizontal sowohl nach innen als auch nach außen ablenkt.
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Die 4a und 4b zeigen
eine weitere Ausgestaltung einer Einspritzeinrichtung 25,
welche ebenfalls als Mehrlochventil ausgebildet ist. Dabei weist
das in den 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 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.
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In
den 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 α zur
Mittelachse angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 25 ist
wieder ein Mehrlochventil, wobei in 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 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 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. 6). Hierbei ist der Gemischbereich 28 auch über der
vorstehenden Nase 37 gebildet, so dass, wie in 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 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.
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Die 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. 8).
In einer Stellung ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt, die in 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.
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In
den 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 α. 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 9 und 10 durch den Winkel β 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 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. 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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen 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.
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Eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann
dabei sowohl in Fahrzeugen als auch stationär verwendet werden.