DE102006037413B4

DE102006037413B4 - Direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006037413B4
Application number: DE102006037413A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Wirth; Rainer Friedfeldt; Diana Zimmermann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: DE102006037413A1

Abstract

Direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
• mindestens einem Zylinder (1), in welchem durch einen Kolbenboden (12) eines Kolbens (11), einem Zylinderrohr (20) und einem Zylinderkopf (10) ein Brennraum (4) ausgebildet ist,
• einer im Zylinderkopf (10) – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens (12) – angeordneten Einspritzeinrichtung (5), mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) einspritzbar ist, und
• einer im Zylinderkopf (10) – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens (12) – angeordneten Zündeinrichtung (6), mit der die Fremdzündung einleitbar ist, wobei
• eine Aufladung vorgesehen ist, und
• zwei Einlaßkanäle (7a, 7b) zur Versorgung des Brennraums (4) mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der Art ausgebildet sind, daß die einströmende Frischluft während eines Ladungswechsels im Brennraum (4) eine Tumble-Strömung ausbildet,
dadurch gekennzeichnet, daß
• ein Einlaßkanal (7a, 7b) als abschaltbarer Einlaßkanal (9) ausgebildet ist, der mittels einer Schaltvorrichtung (21) in einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit

• mindestens einem Zylinder, in welchem durch einen Kolbenboden eines Kolbens, einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf ein Brennraum ausgebildet ist,
• einer im Zylinderkopf – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens – angeordneten Einspritzeinrichtung, mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist, und
• einer im Zylinderkopf – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens – angeordneten Zündeinrichtung, mit der die Fremdzündung einleitbar ist, wobei
• eine Aufladung vorgesehen ist, und
• zwei Einlaßkanäle zur Versorgung des Brennraums mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der Art ausgebildet sind, daß die einströmende Frischluft während eines Ladungswechsels im Brennraum eine Tumble-Strömung ausbildet.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise in der US 2003/0024499 A1 beschrieben.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten. Daher steht die Entwicklung verbrauchsoptimierter Brennverfahren im Vordergrund der Bemühungen.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, daß durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so daß dem Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe und vor dem Einlaß in den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt.
Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat somit – insbesondere aufgrund der hohen Drosselverluste im Teillastbereich – thermodynamische Nachteile. Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Laststeuerung entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten, d. h. die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlaß- und Auslaßventile, bedingt durch die nicht flexible, da nicht verstellbare Mechanik des Ventiltriebes als unveränderliche Größen vorgegeben sind, können diese den Verbrennungsprozeß und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Die ideale Lösung wäre eine voll variable Ventilsteuerung, die für jeden beliebigen Betriebspunkt des Ottomotors speziell abgestimmte Werte für den Hub und die Steuerzeiten zuläßt.
Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden. Mit derartigen Ventiltrieben kann beispielsweise die Schließzeit des Einlaßventils variiert werden. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dabei nicht wie bei konventionellen Ottomotoren mittels einer im Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe gesteuert d.h. bemessen, sondern über die Öffnungsdauer des Einlaßventils.
Eine Möglichkeit, die Steuerzeiten der Ventile zu variieren, besteht in der Verwendung einer Nockenwellenverstellvorrichtung, mit welcher die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen gewissen Winkel verdreht werden kann, so daß die Steuerzeiten nach früh oder spät verschoben werden.
Ein anderer Lösungsansatz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren basiert auf der Übernahme technischer Merkmale, die ursprünglich als Kennzeichen des dieselmotorischen Verfahrens galten. Dies führt zu neuen sogenannten hybriden Brennverfahren.
Das traditionelle ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie die Quantitätsregelung, wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung. Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten aufgrund der Qualitätsregelung des Dieselmotors, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert wird.
Insbesondere die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Weitere Vorteile ergeben sich aufgrund der – mit einer Direkteinspritzung prinzipbedingt verbundenen – Innenkühlung des Brennraums bzw. des Gemisches, wodurch eine höhere Verdichtung und/oder Aufladung und folglich eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffes ohne die für den Ottomotor sonst charakteristische frühzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffes, dem sogenannten Klopfen, möglich erscheint.
Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ist darüber hinaus ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung, die ebenfalls zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beiträgt, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb d.h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt, während in den darunter befindlichen Gemischschichten geringere Kraftstoffkonzentration d. h. größere lokale Luftverhältnisse (λ > 1) vorliegen, was letztendlich zu einer insgesamt sehr mageren Brennraumladung führt mit Gesamtluftverhältnissen λ >> 1.
Infolge der Direkteinspritzung liegt – insbesondere im Schichtladebetrieb – während der Zündung und Verbrennung ein mehr oder weniger starkes inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor, welches nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. Die Bildung des für das dieselmotorische Verfahren charakteristischen Rußes, der in Gemischteilen mit einem unterstöchiometrischen Luftverhältnis (λ < 0.7) und bei Temperaturen oberhalb 1300°K unter extremen Luftmangel gebildet wird, muß dabei unter Umständen in Kauf genommen werden.
Bei der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff vorzugsweise während der Kompressionsphase direkt in den Brennraum d. h. in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches stehen vergleichsweise kurze Zeiträume in der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung.
Bedingt durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, die nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung stellt, sind direkteinspritzende ottomotorische Verfahren wesentlich empfindlicher gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung, und der Zündung als herkömmliche ottomotorische Verfahren. Dabei erschwert die Inhomogenität des Gemisches bei direkteinspritzenden Ottomotoren grundsätzlich eine sichere und definierte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Aus den genannten Gründen wird zum einen eine Verbesserung der Gemischaufbereitung angestrebt. Zum anderen ist eine sehr feine – sowohl räumliche als auch zeitliche – Abstimmung von Einspritzung und Zündung erforderlich, insbesondere eine aufeinander abgestimmte Anordnung der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung im Brennraum, was schon aufgrund des sehr begrenzten Platzangebots im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine nur bedingt möglich ist. Zu berücksichtigen ist dabei, daß im Zylinderkopf bereits die Steuerorgane – in der Regel Tellerventile – und Ölkanäle und gegebenenfalls die Kühlkanäle einer Wasserkühlung vorgesehen sind, so daß insbesondere bei den nach dem Stand der Technik bevorzugten Vier-Ventil-Motoren, die sich aufgrund des großen für den Ladungswechsel bereitgestellten Strömungsquerschnittes durch einen optimierten Gaswechsel auszeichnen, sehr beengte Platzverhältnisse vorliegen.
Im wesentlichen können drei Verfahren, die beim direkteinspritzenden Ottomotor zur Gemischbildung und Verbrennung Verwendung finden, unterschieden werden, nämlich das luftgeführte, das wandgeführte und das strahlgeführte Verfahren.
Beim luftgeführten Brennverfahren wird versucht, die Gemischbildung mittels einer der Einlaßströmung – beim Ansaugen der Luft in den Brennraum – aufgezwungenen Bewegung zu beeinflussen. Auf diese Weise soll im Volllastbetrieb eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem direkt eingespritzten Kraftstoff erzielt werden. Dabei kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles zusammen mit einem gegen diese Luftströmung bzw. Ladungsbewegung gerichteten Einspritzstrahl zielführend sein.
Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verläuft, im Gegensatz zu einem Drall, der einen Luftwirbel darstellt, dessen Achse parallel zur Kolben- bzw. Zylinderlängsachse verläuft. Es wird eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt.
Es wird eine zentral im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung und eine seitlich angeordnete Einspritzvorrichtung verwendet, wobei ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Innenwände des Brennraums durch die erzeugte Ladungsbewegung bzw. Strömung verhindert werden soll. Hingegen soll die ausgebildete Luftströmung den eingespritzten Kraftstoff in die Nähe der Zündeinrichtung transportieren und dort für ein zündfähiges Gemisch sorgen.
Zur Ausbildung einer geschichteten Brennraumladung im Teillastbetrieb ist das luftgeführte Verfahren nur bedingt geeignet, da die ausgebildeten Luftströmungen nur schwer zu steuern sind und in hohem Maße von der Motorendrehzahl beeinflußt werden.
Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, daß der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so daß ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfaßt wird. Insbesondere muß ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes in die Nähe der Zündeinrichtung gelenkt werden, um dort mit der angesaugten Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch auszubilden.
Bedingt durch das – oben beschriebene – Prinzip, das der Gemischbildung des wandgeführten Verfahrens zugrunde liegt und welches insbesondere durch einen vergleichsweise großen Zeitbedarf zur Bildung eines Gemisches gekennzeichnet ist, leidet dieses Verfahren unter bestimmten Einschränkungen, die es zur Ausbildung einer Schichtladung ungeeignet erscheinen lassen. Der Einspritzzeitpunkt muß in der Weise gewählt werden, daß der eingespritzte Kraftstoff genügend Zeit hat, auf die Innenwände zu treffen, umgelenkt zu werden und in die Nähe der Zündeinrichtung zu gelangen, wobei zusätzlich das Gemisch soweit aufzubereiten ist, daß keine erhöhten Schadstoffkonzentrationen zu befürchten sind.
Wie beim luftgeführten Verfahren kommen eine zentral im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung und eine seitlich angeordnete Einspritzvorrichtung zur Anwendung.
Beim strahlgefühhrten Verfahren wird der Kraftstoff gezielt in Richtung Zündeinrichtung eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung des Einspritzstrahls erreicht wird bzw. durch eine entsprechend abgestimmte Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung, beispielsweise durch eine Anordnung der Zündeinrichtung in unmittelbarer Nähe zur Einspritzeinrichtung.
Eine derartige Anordnung zeigen beispielsweise die WO 2006/048134 A1 und die EP 1 319 822 A1 , in denen jeweils eine Brennkraftmaschine beschrieben wird, der ein strahlgeführtes Brennverfahren zugrunde liegt, wobei sowohl die Zündeinrichtung als auch die Einspritzeinrichtung zentral im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
Beim strahlgeführten Verfahren erfolgt der Gemischtransport – unabhängig von der Brennraumgeometrie – im wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls, wobei die Bewegung der angesaugten Luft von untergeordneter Bedeutung ist. Im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Verfahren ist daher die Ausdehnung der aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemischwolke begrenzt.
Aus diesem Grund wird das strahlgeführte Verfahren insbesondere für den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine als besonders geeignet angesehen, weil durch die gezielte Einspritzung des Kraftstoffes in Richtung der Zündeinrichtung und die Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung in unmittelbarer Nähe zueinander einerseits ein zündfähiges Gemisch in einem engen Bereich um die Zündeinrichtung herum ausgebildet werden kann, andererseits aber in weiten Bereichen des Brennraums eine geringe Kraftstoffkonzentration vorliegt. Dies ermöglicht eine extreme Abmagerung bzw. einen sehr mageren Betrieb des Ottomotors und damit eine sehr weitgehende Entdrosselung der Brennkraftmaschine d.h. den höchsten thermodynamischen Wirkungsgrad im Vergleich zu den beiden anderen Brennverfahren, nämlich dem luftgeführten und dem wandgeführten Verfahren.
Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes ist in der Regel mit einer teilweise erhöhten Schadstoffemission verbunden. Auch dahingehend verspricht das strahlgeführte Verfahren bei direkteinspritzenden Ottomotoren Vorteile d. h. eine Verbesserung des durch die Direkteinspritzung hervorgerufenen d. h. verschlechterten Emissionsverhaltens.
Eine Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich bildet die Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck p_me gesteigert werden. Häufig wird eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in den Brennraum runtergekühlt wird, was den Füllungsgrad weiter erhöht.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen, den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Aus den genannten Gründen hat sich in den letzten Jahren eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen.
Vorteilhaft wäre es, das eingangs beschriebene strahlgeführte Brennverfahren mit einer Aufladung der Brennkraftmaschine zu kombinieren d. h. beide Konzepte zur Kraftstoffreduzierung gemeinsam anzuwenden und in einem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine zu vereinen. Das Ziel wäre dann, eine aufgeladene direkteinspritzende und fremdgezündete Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit der Verbrauchsvorteile in weiten Drehzahl- und Lastbereichen realisierbar sind.
Die Kombination von Aufladung und strahlgeführtem Brennverfahren wirft aber Probleme auf, die sich aus den teilweise konkurrierenden Randbedingungen beider Verfahren ergeben.
So erfordert die aufgeladene Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb eine sehr ausgeprägte Ladungsbewegung im Brennraum, um die vergleichsweise große eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst weiträumig im Brennraum zu verteilen und für eine möglichst weitgehende Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum zu sorgen.
Hingegen reagiert das strahlgeführte Brennverfahren, welches insbesondere hohe Verbrauchsvorteile im Teillastbereich verspricht und bei dem der Gemischtransport im wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls erfolgen soll, empfindlich auf eine verstärkte Bewegung der angesaugten Luft.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden können und die insbesondere die Konzepte der Aufladung und des strahlgeführten Brennverfahrens in sich vereint, um den Kraftstoffverbrauch in weiten Drehzahl- und Lastbereichen zu reduzieren.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit

• mindestens einem Zylinder, in welchem durch einen Kolbenboden eines Kolbens, einem Zylinderrohr und einem Zylinderkopf ein Brennraum ausgebildet ist,
• einer im Zylinderkopf – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens – angeordneten Einspritzeinrichtung, mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzbar ist, und
• einer im Zylinderkopf – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens – angeordneten Zündeinrichtung, mit der die Fremdzündung einleitbar ist, wobei
• eine Aufladung vorgesehen ist, und
• zwei Einlaßkanäle zur Versorgung des Brennraums mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der Art ausgebildet sind, daß die einströmende Frischluft während eines Ladungswechsels im Brennraum eine Tumble-Strömung ausbildet,

• ein Einlaßkanal als abschaltbarer Einlaßkanal ausgebildet ist, der mittels einer Schaltvorrichtung in einen abgeschalteten Zustand überführbar ist, in dem dieser abgeschaltete Einlaßkanal den Brennraum nicht mehr mit Frischluft versorgt, wodurch die Tumble-Strömung in einen Drall überführbar ist.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über ein System aus Einlaßkanälen, die in der Art ausgebildet sind und aktiviert d.h. geschaltet werden können, daß der Frischluftströmung wahlweise genau die Ladungsbewegung beim Eintritt in den Brennraum aufgezwungen wird, die zur Gemischbildung bzw. -aufbereitung unter den momentan vorliegenden Betriebsbedingungen benötigt wird bzw. zu bevorzugen ist.
Hierzu verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über zwei Einlaßkanäle, die beide in der Art ausgebildet und am Zylinder angeordnet sind, daß die durch die beiden geöffneten Einlaßkanäle im Rahmen eines Ladungswechsels einströmende Frischluft im Brennraum einen Tumble ausbildet d. h. einen Luftwirbel, der um eine gedachte, parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verlaufende Achse rotiert.
Der Tumble ist gerade die spezifische Ladungsbewegung, die zu bevorzugen ist, wenn größere Kraftstoffmengen eingespritzt werden, was beispielsweise im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine der Fall ist.
Die Tumble-Strömung wird im Rahmen der Kompression, wenn sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes bewegt, nicht aufrechterhalten, sondern unter Ausbildung von Turbulenzen aufgelöst. Gerade diese Turbulenzen unterstützen aber die weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum und sind daher geeignet, eine weitgehende Homogenisierung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches herbeizuführen.
Aus diesem Grund sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen Quetschflächen im Bereich des Zylinderkopfes vorgesehen sind, durch die die Transformation der Tumble-Strömung in Turbulenzen während der Kompressionsphase unterstützt wird.
Folglich liefern die beiden geöffneten Einlaßkanäle die – insbesondere für den Vollastbetrieb der aufgeladenen Brennkraftmaschine geforderte – ausgeprägte Ladungsbewegung, um große Kraftstoffmengen möglichst weiträumig im Brennraum zu verteilen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch möglichst weitgehend zu homogenisieren.
Ein Einlaßkanal der beiden Einlaßkanäle der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist als abschaltbarer Einlaßkanal ausgebildet. Hierzu ist eine Schaltvorrichtung vorgesehen, mit der dieser Einlaßkanal abgeschaltet bzw. zugeschaltet werden kann. Das "Abschalten" des Kanals kann auch als "Deaktivieren" und das "Zuschalten" auch als "Aktivieren" bezeichnet werden, wobei der abschaltbare Kanal nur in seinem zugeschalteten Zustand und Offenstehen des entsprechenden Einlaßventils den Brennraum mit Frischluft versorgt.
Wird der schaltbare Einlaßkanal deaktiviert, bildet die durch den anderen d.h. die durch den verbleibenden Einlaßkanal im Rahmen des Ladungswechsels einströmende Frischluft im Brennraum einen Drall aus. Dabei handelt es sich um einen Luftwirbel, der – im Gegensatz zu einem Tumble – um eine gedachte Achse rotiert, die parallel zur Längsachse des Kolbens bzw. des Zylinders verläuft, so daß die Rotationsachsen eines Tumbles und eines Dralls senkrecht aufeinander stehen.
Die Ausrichtung des Dralls um die Zylinderlängsachse hat zur Folge, daß die Drall-Strömung in der Kompressionsphase aufrechterhalten werden kann. Die Drall-Strömung eignet sich daher insbesondere zur Ausbildung einer Schichtladung mittels strahlgeführtem Verfahren, bei dem der Gemischtransport im wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls erfolgen sollte. Deshalb wird im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei dem die Brennkraftmaschine zur Entdrosselung vorzugsweise im Schichtladebetrieb betrieben wird, eine Drall-Strömung bevorzugt und die Tumble-Strömung durch Deaktivieren des abschaltbaren Einlaßkanals in einen Drall überführt.
Der aus dem Stand der Technik bekannte Konflikt, der sich aus den konkurrierenden Anforderungen einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine ergibt, die sowohl aufgeladen ist als auch ein strahlgeführtes geschichtetes Brennverfahren in der Teillast anwendet, wird somit durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bzw. durch einen entsprechend ausgebildeten und veränderbaren d.h. schaltbaren Einlaßbereich aufgelöst.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden können und die insbesondere die Konzepte der Aufladung und des strahlgeführten Brennverfahrens in sich vereint, um den Kraftstoffverbrauch in weiten Drehzahl- und Lastbereichen zu reduzieren.
Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine werden die Einsatzmöglichkeiten des geschichteten, direkteinspritzenden und strahlgeführten Brennverfahrens im Hinblick auf die möglichen Drehzahl- und Lastbereiche erheblich erweitert und sowohl die thermodynamische Effizienz d.h. der Kraftstoffverbrauch, als auch das Emissionsverhalten erheblich verbessert.
Da sich während des Ladungswechsels in der Regel keine reine Tumble-Strömung bzw. keine reine Drall-Strömung im Brennraum ausbildet, sondern vielmehr eine Strömung, deren Rotationsachse mehr oder weniger stark gegenüber der Zylinderlängsachse bzw. der Kurbelwellenachse geneigt ist, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Luftwirbel als Tumble bezeichnet werden, wenn die Tumble-Komponente dieser Strömung größer ist als die Drall-Komponente, wohingegen ein Luftwirbel als Drall bezeichnet wird, wenn die Drall-Komponente dieser Strömung größer ist als die Tumble-Komponente.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder mit zwei Auslaßkanälen ausgestattet ist. Im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen lediglich ein Auslaßkanal zum Abführen der Verbrennungsgase aus dem Brennraum eines Zylinders vorgesehen ist, verfügt die in Rede stehende Ausführungsform über einen vergrößerten Strömungsquerschnitt auf der Auslaßseite, was den Ladungswechsel verbessert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Aufladung eine Abgasturboaufladung ist.
Dabei wird für die Aufladung mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu mechanischen Ladern bestehen darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Für spezielle Anwendungen können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressors, realisiert wird; gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung
Bei einer Brennkraftmaschine, bei der mit dem Kolben eine Kurbelwelle in Drehung versetzt wird, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung in Richtung der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung in Richtung der Längsachse der Brennkraftmaschine, wie bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der EP 1 319 822 A1 ist, und im Gegensatz zu der Brennkraftmaschine, die in der WO 2006/048134 A1 beschrieben wird. Bei der in der WO 2006/048134 A1 offenbarten Brennkraftmaschine sind die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung quer eingebaut d.h. quer zur Längsachse der Brennkraftmaschine.
Vorteile bietet diese Ausführungsform mit Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung in Richtung der Längsachse der Brennkraftmaschine insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen wie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wenn berücksichtigt wird, daß – wie oben bereits ausgeführt wurde – die Aufladung ein geeignetes Mittel ist, bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren, um das Lastkollektiv hin zu höheren Lasten zu verschieben und dadurch den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Diese als Downsizing bezeichnete Maßnahme führt infolge der Hubraumreduzierung zu kleineren Brennkraftmaschinen d. h. zu Brennkraftmaschinen, deren Zylinder einen reduzierten d.h. vergleichsweise kleinen Bohrungsdurchmesser aufweisen. Das aufeinander abgestimmte Anordnen von Einspritz- und Zündeinrichtung, das durch das geringe Platzangebot im Zylinderkopf ohnehin nur schwer zu realisieren ist, wird durch das Downsizing somit bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zusätzlich erschwert. Der Abstand zwischen den Nockenwellen, die über dem mindestens einen Zylinder im Zylinderkopf gelagert sind, nimmt durch das Downsizing und die Verkleinerung des Bohrungsdurchmessers ebenfalls ab.
Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft, die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung – in Richtung der Längsachse der Brennkraftmaschine gesehen – hintereinander anzuordnen.
Vorteilhaft sind aus den genannten Gründen insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung im wesentlichen vertikal, vorzugsweise vertikal d. h. parallel zur Kolbenlängsachse, im Zylinderkopf angeordnet ist.
Diese Ausführungsform trägt dem infolge des Downsizing verminderten Abstand der Nockenwellen Rechnung und damit dem Umstand, daß die Einbauposition der Einspritzeinrichtung bei kleineren Nockenwellenabständen weniger leicht zugänglich ist und eine geneigt eingebaute Einspritzeinrichtung einen größeren Nockenwellenabstand erfordert.
Die Montage der Einspritzeinrichtung wird dadurch erleichtert und die konstruktive Ausgestaltung der Kraftstoffzuführung ebenfalls.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die dem Kolbenboden gegenüberliegende Innenseite des Zylinderkopfes dachförmig ausgebildet ist. Diese Form des Zylinderkopfes unterstützt die Unterbringung der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung im Zylinderkopf in günstiger Weise, nämlich dadurch, daß eine geneigte Anordnung der Steuerorgane des mindestens einen Zylinders ermöglicht wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Steuerorgane der Einlaßkanäle mit den Steuerorganen der Auslaßkanäle einen Winkel α einschließen, mit 15° < α < 60° Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Kolbenboden eine Mulde, vorzugsweise eine omegaförmige Mulde, vorgesehen ist. Diese Ausführungsform gestattet die Einspritzung von Kraftstoff in Richtung Kolbenboden bzw. eine dementsprechende Anordnung und Ausrichtung der Einspritzeinrichtung, ohne daß zu befürchten ist, daß der eingespritzte Kraftstoff noch in flüssiger Form auf den Kolbenboden d. h. die Brennrauminnenwand trifft. Vielmehr wird dem Kraftstoff durch diese Ausgestaltung des Kolbenbodens eine ausreichende Wegstrecke zur Verfügung gestellt, um auf dem Weg zum Kolbenboden hin zu verdampfen.
Sollte dennoch flüssiger Kraftstoff auf den Kolbenboden auftreffen, so stellt die omegaförmige Kolbenmulde sicher, daß der Kraftstoff weiträumig im Brennraum verteilt wird und nicht die Zylinderrohrinnenwand erreicht.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine nach außen öffnende Einspritzdüse ist, vorzugsweise eine nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitende Einspritzdüse, die ihre Düsenspitze im Rahmen der Einspritzung nach außen hin d. h. in den Brennraum hinein gerichtet öffnet. Dabei wird im Bereich der Düsenspitze ein Ringspalt ausgebildet, mit dem ein hohlkegelförmiger Einspritzstrahl ausgeformt wird.
Piezoelektrische Einspritzdüsen zeichnen sich durch ihr schnelles Ansprechverhalten aus, was sehr kurze Schaltzeiten, die im Millisekundenbereich liegen, ermöglicht. Dies gestattet Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff während eines einzigen Arbeitsspiels, was insbesondere den Magerbetrieb bzw. den Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise unterstützt und auch in höheren Drehzahl- und Lastbereichen ermöglicht.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse ist. Diese Mehrlocheinspritzdüse bietet derzeit gegenüber der zuvor beschriebenen piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüse noch Kostenvorteile und sollte vorzugsweise über 4 bis 10 seitlich angeordnete Düsenöffnungen verfügen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Düsenöffnungen seitlich in der Art angeordnet sind, daß die aus den Düsenöffnungen austretenden Einspritzstrahlen jeweils mit der Längsachse der Einspritzdüse einen Winkel β bilden mit 0° ≤ β ≤ 55°.
Der aus den mindestens vier austretenden Einspritzstahlen gebildete Kegel ist dabei vorzugsweise zur Längsachse der Einspritzdüse geneigt und in Richtung der Zündeinrichtung ausgerichtet. Der Bereich der Zündeinrichtung, an welchem die Fremdzündung eingeleitet wird, also beispielsweise bei einer Zündkerze der Bereich um die Elektroden, sollte vorzugsweise außerhalb der Einspritzstrahlen bzw. außerhalb der mit flüssigem Kraftstoff versorgten Brennraumbereiche angeordnet sein, um beispielsweise eine erhöhte Schadstoffemission infolge der Verbrennung von unzureichend aufbereitetem Kraftstoff zu verhindern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die im Zylinderkopf angeordnete Einspritzeinrichtung und die im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung einen Winkel α bilden mit 15° ≤ α ≤ 30°, wobei Bezug genommen wird auf die Längsachse der Einspritzeinrichtung und die Längsachse der Zündeinrichtung.
Vorzugsweise liegen die Längsachse der Einspritzeinrichtung und die Längsachse der Zündeinrichtung in einer gemeinsamen Ebene, die wiederum vorzugsweise parallel zu einer Ebene verläuft, welche von den Zylinderlängsachsen aufgespannt wird.
Vorteilhaft sind des weiteren Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung dezentral d.h. mit einem Abstand Δe zur Zylinderlängsachse angeordnet ist, wobei gilt: Δe < 15 Millimeter. Aus den bereits weiter oben gemachten Ausführungen ergibt sich, daß die Einspritzeinrichtung in Richtung der Längsachse der Brennkraftmaschine beabstandet zur Zylinderlängsachse angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Zündkerze als Zündeinrichtung dient, wobei die Zündkerze vorzugsweise in der Weise im Zylinderkopf angeordnet ist, daß die Elektroden, als der Ort, an dem die Fremdzündung eingeleitet wird, maximal 10 Millimeter von der Zylinderlängsachse beabstandet angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Die Rückführung heißer Abgase bietet insbesondere Vorteile bei der Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Vorteilhaft sind Brennkraftmaschinen mit variablen Steuerzeiten. Es wird bezug genommen auf die Ausführungen, die eingangs in Zusammenhang mit dem Stand der Technik gemacht worden sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Nockenwellenversteller vorgesehen ist. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, unterstützen auch teilweise variable Ventiltriebe, wie sie beispielsweise mit einem Nockenwellenversteller realisiert werden können, die Entdrosselung der Brennkraftmaschine im Teillastbereich. Dabei kann sowohl die Einlaßnockenwelle, als auch die Auslaßnockenwelle mit einem Nockenwellenversteller ausgerüstet werden.
Darüber hinaus gestattet das Verschieben der Öffnungszeiten bzw. Schließzeiten der Ventile mittels Nockenwellenversteller nach früh bzw. spät die Optimierung der Vollasteigenschaften der aufgeladenen Brennkraftmaschine durch besonders vollständige Ausspülung der Verbrennungsgase im Rahmen des Ladungswechsels am Ende des Ausschiebetaktes.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, daß

• der abschaltbare Einlaßkanal mittels der Schaltvorrichtung abgeschaltet wird, falls ein Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine beabsichtigt wird.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

• die zwei Einlaßkanäle des mindestens einen Zylinders im oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine beide geöffnet werden, damit im Rahmen des Ladungswechsels eine Tumble-Strömung im Brennraum ausgebildet wird, und
• der abschaltbare Einlaßkanal mittels Schaltvorrichtung im unteren und mittleren Lastbereich abgeschaltet d.h. deaktiviert wird, so daß der Brennraum über diesen abgeschalteten Einlaßkanal nicht mehr mit Frischluft versorgt wird und die Tumble-Strömung in einen Drall überführt wird.

Das bereits oben für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die kausalen Zusammenhänge, auf denen das erfindungsgemäße Verfahren beruht, bzw. die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die eine Kombination der Konzepte von Aufladung und strahlgeführtem Brennverfahren erst ermöglichen, wurden ausführlich dargelegt und erörtert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch einen Zylinder einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine – teilweise geschnitten entlang der Zylinderlängsachse und quer zur Kurbelwellenlängsachse,
2 schematisch den in 1 dargestellten Zylinder – teilweise geschnitten entlang der Zylinderlängsachse und entlang zur Kurbelwellenlängsachse, und
3 schematisch eine vertikale Projektion des Zylinders in Richtung Zylinderlängsachse auf die Innenseite des Zylinderkopfes.
1 zeigt schematisch einen Zylinder 1 einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine und zwar teilweise geschnitten entlang der Zylinderlängsachse 14 und quer zur Kurbelwellenlängsachse.
Der Brennraum 4 des Zylinders 1 wird durch ein Zylinderrohr 20, einen in diesem Zylinderrohr 20 entlang der Zylinderlängsachse 14 oszillierenden Kolben 11 und einen Zylinderkopf 10 mitbegrenzt. In dem Kolbenboden 12 des Kolbens 11 ist eine omegaförmige Mulde 13 vorgesehen. Der oszillierende Kolben 11 versetzt eine Kurbelwelle in Rotation, wobei die Kräfte vom Kolben 11 in einen Kolbenbolzen 15 auf ein Pleuel und schließlich auf die Kurbelwelle übertragen werden (nicht dargestellt). Die Kolbenbolzenlängsachse 16 verläuft parallel zur Kurbelwellenlängsachse.
Der Brennraum 4 wird während des Ladungswechsels – bei geöffneten Einlaßventilen 17b – über zwei Einlaßkanäle 7a, 7b mit Frischluft versorgt, wobei die Abgase über zwei Auslaßkanäle 8a, 8b – bei geöffneten Auslaßventilen 18b – abgeführt werden (siehe auch 3). Wie 1 zu entnehmen ist, wird der zweite Einlaßkanal 7b, welcher mittels einer Schaltvorrichtung 21 als abschaltbarer Einlaßkanal 9 ausgebildet ist, bei der in 1 dargestellten Momentaufnahme durch das zweite Einlaßventil 17b verschlossen. Das zweite Auslaßventil 18b verschließt den ersten Auslaßkanal 8b. Gleiches gilt für den ersten Einlaßkanal und den ersten Auslaßkanal (nicht in 1 dargestellt).
Auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens 12 ist eine Einspritzeinrichtung 5 im Zylinderkopf 10 angeordnet, mit der Kraftstoff in Gestalt von mehreren Einspritzstrahlen 2 direkt in den Brennraum 4 eingespritzt wird. Ebenfalls im Zylinderkopf 10 und auf der dem Kolbenboden 12 gegenüberliegenden Seite ist eine Zündeinrichtung 6 angeordnet, mit der die Fremdzündung des im Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt.
Die Einspritzeinrichtung 5 und die Zündeinrichtung 6 sind in Richtung der Kolbenbolzenlängsachse 16 bzw. in Richtung der Kurbelwellenlängsachse gesehen hintereinander angeordnet.
D.h. bei der in 1 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Anordnung von Einspritzeinrichtung 5 und Zündeinrichtung 6 in Richtung der Längsachse der Brennkraftmaschine, was sich aufgrund der sehr begrenzten Platzverhältnisse im Zylinderkopf 10 gerade bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen als vorteilhaft erweist.
Die Längsachse 5a der Einspritzeinrichtung 5 und die Längsachse 6a der Zündeinrichtung 6 liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zu einer Ebene verläuft, welche von den Zylinderlängsachsen 14 mehrerer Zylinder 1 aufgespannt wird, und die leicht versetzt – in Richtung der Auslaßkanäle 8b – zu dieser Ebene angeordnet ist.
Die Einspritzeinrichtung 5 ist – wie aus 2 ersichtlich – dezentral d. h. mit einem Abstand Δe zu der Zylinderlängsachse 14 angeordnet, wohingegen die Zündkerze 6 bzw. die Elektroden der Zündkerze 6 nahezu zentral angeordnet sind.
2 zeigt schematisch den in 1 dargestellten Zylinder 1 teilweise geschnitten entlang der Zylinderlängsachse 14 und entlang zur Kurbelwellenlängsachse. Es soll an dieser Stelle nur ergänzend zu der bereits beschriebenen 1 ausgeführt werden, weshalb im übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung von 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die im Zylinderkopf 1 angeordnete Einspritzeinrichtung 5 und die im Zylinderkopf angeordnete Zündeinrichtung 6 bilden einen Winkel α ≈ 20°, wobei die als Einspriteinrichtung 5 verwendete Mehrlochdüse 5 vertikal d.h. parallel zur Zylinderlängsachse 14 angeordnet ist. Es wird jeweils Bezug genommen auf die Längsachse 5a der Einspritzeinrichtung 5 bzw. die Längsachse 6a der Zündeinrichtung 6.
Die aus den Düsenöffnungen der nach innen öffnenden Mehrlocheinspritzdüse 5 austretenden Einspritzstrahlen 2 bilden mit der Längsachse 5a der Einspritzdüse 5 unterschiedliche Winkel β, die zwischen 28° und 55° liegen. Der aus den Einspritzstahlen 2 gebildete Kegel ist folglich zur Längsachse 5a der Einspritzdüse 5 geneigt und – wie aus 2 ersichtlich – in Richtung der Zündeinrichtung 6 ausgerichtet bzw. gekippt.
3 zeigt schematisch eine vertikale Projektion des Zylinders 1 in Richtung Zylinderlängsachse 14 auf die Innenseite des Zylinderkopfes 10. Es soll an dieser Stelle nur ergänzend zu den bereits beschriebenen 1 und 2 ausgeführt werden, weshalb im übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung dieser Figuren.
Der Bereich der Zündeinrichtung 6, an welchem die Fremdzündung eingeleitet wird, d.h. der Zündort 3 ist außerhalb der Einspritzstrahlen 2 angeordnet. Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform liegt der Zündort 3 zwischen zwei der insgesamt sechs Einspritzstrahlen 2. Eine erhöhte Schadstoffemission, verursacht durch die Verbrennung von unzureichend aufbereitetem flüssigem Kraftstoff, kann auf diese Weise verhindert werden.
Das sich aus den Einspritzstahlen 2 ergebende Einspritzmuster ist symmetrisch bezüglich einer Linie, welche die Einspritzeinrichtung 5 mit der Zündeinrichtung 6 verbindet, aber asymmetrisch quer dazu, und zwar bedingt dadurch, daß der aus den Einspritzstahlen 2 gebildete Kegel bezüglich der Längsachse 5a der Einspritzdüse 5 geneigt und in Richtung der Zündeinrichtung 6 ausgerichtet ist – wie auch in 2 dargestellt.
Die beiden Einlaßkanäle 7a, 7b, welche zur Versorgung des Brennraums 4 mit Frischluft vorgesehen sind, sind in der Art ausgebildet, daß die einströmende Frischluft während eines Ladungswechsels eine Tumble-Strömung im Brennraum 4 ausbildet.
Die Tumble-Strömung unterstützt die weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum 4 und sorgt für eine weitgehende Homogenisierung des im Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches, weshalb diese Strömungsform grundsätzlich bei größeren einzuspritzenden Kraftstoffmengen, insbesondere also im Volllastbetrieb, bevorzugt wird.
Der Tumble wird im Rahmen der Kompression unter Ausbildung von Turbulenzen aufgelöst. Da Turbulenzen eine Homogenisierung des im Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff-Luft- Gemisches unterstützen, werden am Zylinderkopf 10 Quetschflächen 19 zur Erzeugung zusätzlicher Turbulenzen vorgesehen (siehe 1).
Der zweite Einlaßkanal 7b ist als abschaltbarer Einlaßkanal 9 ausgebildet. Dieser Einlaßkanal 7b, 9 kann mittels einer Schaltvorrichtung 21 in einen abgeschalteten Zustand überführt werden, in dem dieser abgeschaltete Einlaßkanal 9 den Brennraum 4 nicht mehr mit Frischluft versorgt und die Tumble-Strömung in einen Drall überführt wird, was für den Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt wird.

1: Zylinder
2: Einspritzstrahl
3: Zündort
4: Brennraum
5: Einspritzeinrichtung, Einspritzdüse
5a: Längsachse der Einspritzeinrichtung
6: Zündeinrichtung, Zündkerze
6a: Längsachse der Zündeinrichtung
7a: erster Einlaßkanal
7b: zweiter Einlaßkanal
8a: erster Auslaßkanal
8b: zweiter Auslaßkanal
9: abschaltbarer Einlaßkanal
10: Zylinderkopf
11: Kolben
12: Kolbenboden
13: Mulde
14: Zylinderlängsachse
15: Kolbenbolzen
16: Bolzenlängsachse
17b: zweites Einlaßventil
18b: zweites Auslaßventil
19: Quetschfläche
20: Zylinderrohr
21: Schaltvorrichtung
Δe: Abstand der Längsachse der Einspritzeinrichtung zur Zylinderlängsachse
α: Winkel zwischen der Einspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung
β: Winkel zwischen einem Einspritzstrahl und der Längsachse einer Einspritzdüse

Claims

Direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit • mindestens einem Zylinder (1), in welchem durch einen Kolbenboden (12) eines Kolbens (11), einem Zylinderrohr (20) und einem Zylinderkopf (10) ein Brennraum (4) ausgebildet ist, • einer im Zylinderkopf (10) – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens (12) – angeordneten Einspritzeinrichtung (5), mit der Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) einspritzbar ist, und • einer im Zylinderkopf (10) – auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens (12) – angeordneten Zündeinrichtung (6), mit der die Fremdzündung einleitbar ist, wobei • eine Aufladung vorgesehen ist, und • zwei Einlaßkanäle (7a, 7b) zur Versorgung des Brennraums (4) mit Frischluft vorgesehen sind, die beide in der Art ausgebildet sind, daß die einströmende Frischluft während eines Ladungswechsels im Brennraum (4) eine Tumble-Strömung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß • ein Einlaßkanal (7a, 7b) als abschaltbarer Einlaßkanal (9) ausgebildet ist, der mittels einer Schaltvorrichtung (21) in einen abgeschalteten Zustand überführbar ist, in dem dieser abgeschaltete Einlaßkanal (9) den Brennraum (4) nicht mehr mit Frischluft versorgt, wodurch die Tumble-Strömung in einen Drall überführbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß • Quetschflächen (19) im Bereich des Zylinderkopfes (10) vorgesehen sind, durch die eine Transformation der Tumble-Strömung in Turbulenzen während der Kompressionsphase unterstützt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß • die Aufladung eine Abgasturboaufladung ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer Kurbelwelle, welche mittels Kolben (11) in Drehung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß • die Einspritzeinrichtung (5) und die Zündeinrichtung (6) in Richtung der Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß • die Einspritzeinrichtung (5) im wesentlichen d. h. nahezu vertikal im Zylinderkopf (10) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß • die Einspritzeinrichtung (5) vertikal d. h. parallel zur Zylinderlängsachse (14) im Zylinderkopf (10) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß • im Kolbenboden (12) eine Mulde (13) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß • die Einspritzeinrichtung (5) eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse ist
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß • die Einspritzeinrichtung (5) dezentral im Zylinderkopf (10) mit einem Abstand Δe zur Zylinderlängsachse (14) angeordnet ist, wobei gilt: Δe < 15 Millimeter.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß • der abschaltbare Einlaßkanal (9) mittels Schaltvorrichtung (21) abgeschaltet wird, falls ein Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine beabsichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß • die zwei Einlaßkanäle (7a, 7b) des mindestens einen Zylinders (1) im oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine beide geöffnet werden, damit im Rahmen des Ladungswechsels eine Tumble-Strömung im Brennraum (4) ausgebildet wird, und • der abschaltbare Einlaßkanal (9) mittels Schaltvorrichtung (21) im unteren und mittleren Lastbereich abgeschaltet d. h. deaktiviert wird, so daß der Brennraum (4) über diesen abgeschalteten Einlaßkanal (9) nicht mehr mit Frischluft versorgt wird und die Tumble-Strömung in einen Drall überführt wird.