DE112007000209B4

DE112007000209B4 - Verfahren und Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE112007000209B4
Application number: DE112007000209.3T
Authority: DE
Inventors: Andreas M. Lippert; Michael C. Drake; Yangbing Zeng
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: US7484494B2; CN101375034A; WO2007090019A2; DE112007000209T5; WO2007090019A3; US20070175440A1; CN101375034B

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer (16) veränderlichen Volumens mit einem Zylinder (14) und einem Hubkolben (12), eine Zündkerze (36) mit einer Funkenstrecke und eine Vorrichtung (42) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder (14) zum Herbeiführen eines Kraftstoffsprühstrahlmusters in der Verbrennungskammer (16) umfasst, umfassend: Vorsehen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit mehreren Durchgangslöchern (20), die in einem Durchgangslochmuster (10) angeordnet sind, wobei jedes der Durchgangslöcher (20) eine Einlassöffnung (22) und eine Auslassöffnung (24) aufweist und bewirkt, dass eine Kraftstofffahne längs einer jeweiligen Durchgangslochachse (40) geleitet wird, die weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie (38) noch koplanar mit dieser ist, um ein Kraftstoffsprühstrahlmuster mit einem Kraftstoffkegelwinkel zu erzeugen, der mit zunehmender Kraftstoffmasseneinspritzung zunimmt, wobei das Durchgangslochmuster (10) eine Kraftstoffsprühstrahlverwirbelung erzeugt, die einer Grundansaugluftverwirbelung entgegengerichtet ist; und Anordnen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (42) und der Funkenstrecke derart, dass das Kraftstoffsprühstrahlmuster die Funkenstrecke schneidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (spark ignition, direct injection, SIDI. Insbesondere betrifft die Erfindung eine effektive Kraftstoffeinspritzung in einen SIDI-Motor über einen weiten Bereich von Motorlasten hinweg.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sind wohlbekannte Vorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in Motoren, und zwar entweder in einen Einlasskrümmer auf der Eingangsseite einer Verbrennungskammer oder direkt in die Verbrennungskammer. Es ist äußerst wünschenswert, dass der Kraftstoffnebel zugunsten einer schnellen Verdampfung und einer entsprechenden Vermischung mit Luft gut zerstäubt wird, um eine optimale Verbrennung und Leistungserzeugung zu erreichen und dabei die Bildung unerwünschter Verbrennungsnebenprodukte zu minimieren und ungesteuerte Verbrennungsereignisse zu verhindern.
Ingenieure sind dabei, Motoren mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (SIDI-Motoren) zu entwickeln, die in Abhängigkeit von der Bedieneranforderung nach Leistung und den Betriebsbedingungen unter Anwendung einer Strategie mit geschichteter Verbrennungsladung oder unter Anwendung einer Strategie mit homogener Verbrennungsladung arbeiten. SIDI-Motoren werden entwickelt, um den Kraftstoffwirkungsgrad des Motors und somit die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs zu erhöhen. Im Allgemeinen wird ein SIDI-Motor bei Hochlastzuständen vorzugsweise mit einer homogenen Ladung betrieben. Außerdem wird ein SIDI-Motor bei Niedriglastzuständen vorzugsweise mit einer geschichteten Ladung betrieben. Eine homogene Ladung wird am einfachsten mit einem weiten Kegelwinkel des Kraftstoffeinspritz-Sprühstrahls erreicht, während eine geschichtete Ladung am einfachsten mit einem schmalen Kegelwinkel des Kraftstoffeinspritz-Sprühstrahls erreicht wird. Ingenieure schließen beim Entwickeln von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen Kompromisse, um beim Wählen von Sprühstrahlkegelwinkeln die abweichenden Anforderungen der Kraftstoffversorgung bei Niedriglast und bei Hochlast zu erfüllen.
Das Dokument DE 103 55 707 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Einspritzlochplatte, wobei jedes Einspritzloch der Einspritzlochplatte einen oder mehrere stromaufwärtige Lochabschnitte und einen mit dem zumindest einen stromaufwärtigen Lochabschnitt in Fluidverbindung stehenden stromabwärtigen Lochabschnitt umfasst. Der zumindest eine stromaufwärtige Lochabschnitt stößt Kraftstoff derart in den stromabwärtigen Lochabschnitt aus, dass eine Wirbelkraftstoffströmung in dem stromabwärtigen Lochabschnitt ausgebildet wird. Das Dokument DE 102 10 976 A1 beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil mit äußeren und inneren Einspritzkanälen, wobei die Einspritzstrahlen jeweils eines äußeren Einspritzkanals und eines inneren Einspritzkanals konvergent verlaufen und sich in einem gegebenen Abstand von den Austrittsöffnungen der Einspritzkanäle zu einem resultierenden Einspritzstrahl vereinen. Die äußeren und inneren Einspritzkanäle sind dabei derart angeordnet, dass die gedachten Verlängerungen der Einspritzstrahlen an der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils tangential verbeilaufen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein SIDI-Motor umfasst eine Verbrennungskammer veränderlichen Volumens mit einem Zylinder und einem Hubkolben, eine Zündkerze mit einer Funkenstrecke und eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder. Ein Verfahren zum Betreiben des Motors umfasst das Vorsehen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit mehreren Durchgangslöchern, die in einem Durchgangslochmuster angeordnet sind, um ein Kraftstoffsprühstrahlmuster bzw. Kraftstoffsprühmuster mit einem relativ kompakten Kraftstoffkegelwinkel an der Niedriglastgrenze des Motor und einem relativ weiten Kraftstoffkegelwinkel an der Hochlastgrenze des Motors zu erzeugen, und das kooperative Anordnen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung und der Funkenstrecke derart, dass an der Niedriglastgrenze des Motors ein Abschnitt des Kraftstoffsprühstrahlmusters von der Einspritzvorrichtung die Funkenstrecke schneidet. Jedes der Durchgangslöcher bewirkt, dass eine Kraftstofffahne längs der jeweiligen Durchgangslochachse geleitet wird, die weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie noch koplanar mit dieser ist, wodurch sich verdrehte Kraftstofffahnen ergeben. Das Durchgangslochmuster erzeugt ein Kraftstoffsprühstrahlmuster mit einem Kraftstoffkegelwinkel, der zwischen der Niedriglastgrenze und der Hochlastgrenze des Motors im Allgemeinen zunimmt. Das Durchgangslochmuster kann eine Kraftstoffsprühstrahlverwirbelung erzeugen, die der Verwirbelung der Grundansaugluft im Allgemeinen entgegengerichtet ist.
Eine SIDI-Motorvorrichtung umfasst eine Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen mit einem Zylinder, einem Zylinderkopf mit einem Einlassventil und einem Auslassventil und einen Hubkolben. Die Vorrichtung umfasst eine Zündkerze mit einer Funkenstrecke zum Erzeugen eines Zündfunkens in der der Verbrennungskammer und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit mehreren Durchgangslöchern auf, die in einem Durchgangslochmuster angeordnet sind, um ein Kraftstoffsprühstrahlmuster mit einem Kraftstoffkegelwinkel zu erzeugen, der mit zunehmender Kraftstoffmasseneinspritzung im Allgemeinen zunimmt. Außerdem sind die Kraftstoffeinspritzvorrichtung und die Zündkerze kooperativ angeordnet, derart, dass das Kraftstoffsprühstrahlmuster die Funkenstrecke schneidet. Jedes der Durchgangslöcher leitet eine Kraftstofffahne längs einer jeweiligen Durchgangslochachse, die weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie noch koplanar mit dieser ist. Jedes der Durchgangslöcher kann eine Kraftstofffahne so leiten, dass sie im Allgemeinen einer Grundansaugluftverwirbelung entgegengerichtet verwirbelt wird. Außerdem kann der Hubkolben eine vertiefte Schale aufweisen.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden Fachleuten mit dem Lesen und Verstehen der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann Gestalt annehmen in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen, wobei ihre bevorzugte Ausführungsform ausführlich beschrieben wird und in den begleitenden Zeichnungen, die Teil hiervon sind, gezeigt ist; in den Zeichnungen sind:
1A und 1B dreidimensionale schematische Darstellungen, die Einspritzvorrichtungsspitzen-Durchgangslöcher gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
2A und 2B Teilschnittansichten durch eine beispielhafte SIDI-Verbrennungskammer, die die Strömung von einer herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtung und die Strömung von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und vergleichen;
3 eine graphische Darstellung der Verbrennungsrate über dem Kurbelwinkel bei einem beispielhaften SIDI-Motor, die herkömmliche Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und vergleicht;
4A und 4B räumliche Darstellungen, die Strömungssprühmuster mit einem effektiven Kegelwinkel und einer Eindringung von einer herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtung und von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und vergleichen;
5 eine graphische Darstellung des effektiven Sprühstrahl-Kegelwinkels über der axialen Spitzeneindringung, die herkömmliche Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und vergleicht;
6 eine graphische Darstellung des mittleren Äquivalenzverhältnisses über dem Kurbelwinkel bei einem beispielhaften SIDI-Motor, die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsanordnung mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft entgegengerichtet verwirbelt werden, und eine solche mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft gleichgerichtet verwirbelt werden, gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und vergleicht;
7 eine graphische Darstellung der mittleren Geschwindigkeit an der Zündkerze über dem Kurbelwinkel bei einem beispielhaften SIDI-Motor, die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsanordnung mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft entgegengerichtet verwirbelt werden, und eine solche mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft gleichgerichtet verwirbelt werden, gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und vergleicht; und
8 eine graphische Darstellung der Verbrennungsrate über dem Kurbelwinkel bei einem beispielhaften SIDI-Motor, die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsanordnung mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft entgegengerichtet verwirbelt werden, und eine solche mit verdrehten Fahnen, die der Verwirbelung der Ansaugluft gleichgerichtet verwirbelt werden, gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und vergleicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter den Zeichnungen, deren Schilderungen ausschließlich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen und nicht bezwecken, dieselbe zu beschränken, zeigen die 1A und 1B schematisch ein beispielhaftes Durchgangslochmuster 10 einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine im Wesentlichen ebene Direktor- bzw. Leitplatte, eine sphärische oder konische Einspritzvorrichtungsspitze oder irgendeinen anderen Spitzenentwurf, der mit dem beispielhaften Durchgangslochmuster, das nachstehend ausführlicher beschrieben wird, vereinbar ist, umfassen. Durchgangslöcher 20 gemäß der Erfindung sind so angeordnet, dass Kraftstofffahnen in einem verdrehten Muster in die Verbrennungskammer eingeführt werden, wie aus der folgenden Beschreibung deutlicher wird. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit einem Durchgangslochmuster 10 ist für die Anwendung auf eine magnetbetätigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung (SIDI) gedacht. Zum Beispiel ist in den 2A und 2B eine Verbrennungskammer eines beispielhaften SIDI-Motors teilweise und in einem Querschnitt gezeigt, wobei ein Kolben 12 in einem stirnseitig geschlossenen Zylinder 14 beweglich ist und zusammen mit dem Zylinder 14 eine Verbrennungskammer 16 mit veränderlichem Volumen definiert. Der Kolben 14 weist eine vertiefte Schale 18 auf, in die Kraftstoff primär eingespritzt wird. Die Verbrennungskammer ist mit einer Zündkerze 36 und einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 42 ausgestaltet, die kooperativ angeordnet sind, derart, dass das Kraftstoffsprühstrahlmuster von der Einspritzvorrichtung 42 den Zündkerzenspalt bzw. die Funkenstrecke schneidet. Bei dem beispielhaften SIDI-Motor und der Verbrennungskammer, die in den 2A und 2B gezeigt sind, ist die Sprühspitze der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 42 im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Zylinderachse in dem Zylinderkopf angeordnet, um ein um die Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 zentriertes Sprühmuster bzw. Sprühstrahlmuster zu erzeugen. Die Zündkerze 36 ist in dem Zylinderkopf versetzt in Bezug auf die Zylinderachse angeordnet, wobei ihre Funkenstrecke längs der Zündkerzenmittellinie 34 in der Verbrennungskammer angeordnet ist. Die Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 und die Zündkerzenmittellinie 34 sind gemäß Überlegungen wie etwa Packung, Einspritzvorrichtungs-Sprühstrahlmuster, Funkenstreckenvorkragung, Abstand zwischen Funkenstrecke und Einspritzvorrichtungssprühspitze usw. geneigt zueinander angeordnet.
Die 1A und 1B zeigen dreidimensionale Konstruktionsdurchsichten von Durchgangslöchern 20 in der Einspritzvorrichtungsspitze einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 42B, die ein beispielhaftes Durchgangslochmuster 10 aufschlüsseln, durch das mit Druck beaufschlagter Kraftstoff in die Verbrennungskammer strömt. wenn die Einspritzvorrichtung 42B durch ein Signal von einem Motorcontroller betätigt wird. Einlassöffnungen 22 zu den Durchgangslöchern 20 sind vorzugsweise auf einem ersten Umfang 26, der mit der Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 konzentrisch ist, und in einer zu dieser Mittellinie senkrechten Ebene orientiert. Auslassöffnungen 24 von den Durchgangslöchern 20 sind auf einem zweiten Umfang 28, der mit dem ersten Umfang 26 und der Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 konzentrisch ist und ebenso in einer zu dieser Mittellinie senkrechten Ebene orientiert. Vorzugsweise ist der zweite Umfang 28 größer als der erste Umfang 26, obwohl sie entsprechend dem gewünschten Sprühstrahlmuster einschließlich der Äquivalenzverhältnisverteilungen alternativ gleich sein können oder der zweite Umfang 28 kleiner als der erste Umfang 26 sein kann. Jedes Durchgangsloch 20 ist im Wesentlichen zylindrisch und besitzt eine jeweilige hindurch laufende Durchgangslochachse 40. Die Durchgangslochachsen 40 der Durchgangslöcher 20 sind weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie noch koplanar mit dieser, wodurch individuelle Kraftstofffahnen eingerichtet werden, die eine tangentiale Einspritzkomponente aufweisen. Mit Druck beaufschlagter Kraftstoff, der durch die Einspritzvorrichtungsspitze mit einem Durchgangslochmuster 10, wie es beschrieben worden ist, strömt, führt zu Fahnen, die in Bezug auf die Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 verdreht sind. Zum Vergleich kann eine herkömmliche Einspritzvorrichtung Durchgangslochachsen besitzen, die koplanar mit der Einspritzvorrichtungsmittellinie 38 sind, und nur eine radiale Einspritzkomponente aufweisen. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit dem Durchgangslochmuster 10, wie es oben beschrieben worden ist, kann im Folgenden auch als Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen bezeichnet werden.
In 3 sind von einer rechnerischen Strömungsdynamik (computational flow dynamics, CFD) vorausgesagte Kraftstoffverbrennungsratenkurven für Kraftstoff, der mittels einer Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen, wie sie oben beschrieben worden ist, in einen beispielhaften SIDI-Motor direkt eingespritzt wird, gezeigt. Ein Fachmann erkennt aus 3, dass die Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen im Vergleich zu einer herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtung eine schnellere Anfangs- und Spitzenverbrennungsrate erzeugt. Wenn wiederum auf die 2A und 2B und insbesondere auf die jeweiligen Äquivalenzverhältniskonturen 44A und 44B für eine herkömmliche Einspritzvorrichtung bzw. eine Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen an einem Betriebspunkt bei mittlerer Last und Schichtladung von 280 NMEP bei 2000 min^–1 Bezug genommen wird, erkennt außerdem ein Fachmann, dass längs der Einspritzvorrichtungsachse der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen ein größerer Teil des Kraftstoff konzentriert ist. Dieser größere Teil des Kraftstoffs befindet sich nahe bei der Zündkerze, womit die erste und die mittlere Stufe des Verbrennungsprozesses beschleunigt werden, wie in 3 gezeigt ist.
Die 4A und 4B zeigen CFD-vorausgesagte Sprühstrahlmusterer, wobei von einer Standard-Einspritzvorrichtung (4A) und von der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen (4B) abgegebene Sprühstrahlen unter typischen Bedingungen eines Motorbetriebs bei mittlerer Last und Schichtladung verglichen werden. Insbesondere zeigt jede Figur die Kraftstoffsprühstrahlmusterprogression relativ zu dem Beginn der Einspritzung (start of injection, SOI) in Schritten von einem Kurbelwinkel-(crank angle, CA)-Grad an einem Betriebspunkt bei mittlerer Last und Schichtladung von 280 NMEP bei 2000 min^–1. Der Pfeil 61 in der Nähe des Kraftstoffsprühstrahlmusters entspricht einer Kraftstoffeindringung in die Verbrennungskammer, die hier als axiale Spitzeneindringung bezeichnet werden kann. Die 4A und 4B zeigen Sprühteilchen als zentrale Punkte 62 in den Fahnen, wobei die äußeren Hüllflächen 64 der Fahnen einer Äquivalenzverhältniskontur von im Wesentlichen 0,5 entsprechen. Ein Fachmann erkennt, dass bei der Standard-Einspritzvorrichtung der Sprühstrahlrand einer Geraden nahe kommt, d. h., dass der Sprühstrahlkegelwinkel bei allen Eindringungen im Wesentlichen konstant bleibt. Im Gegensatz dazu nimmt der effektive Sprühkegel bei dem von der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen abgegebenen Sprühstrahl allmählich zu, derart, dass sich die Sprühkegelränder mit einer glockenförmigen Kurve nach außen ausdehnen. Unter der Annahme, dass der Sprühstrahl ab der Einspritzvorrichtung seiner anfänglichen Austrittsgeschwindigkeit folgt, kann die Beziehung zwischen dem effektiven Sprühkegel und der axialen Spitzeneindringung mathematisch hergeleitet werden. Die Unterschiede der effektiven Sprühkegelwinkel zwischen der Standard-Einspritzvorrichtung und der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen sind in 5 gezeigt.
Die Unterschiede in dem effektiven Sprühkegelwinkel, die erzielt werden können, besitzen eine große Bedeutung für die Gemischvorbereitung bei Schichtladungs-SIDI-Motoren, die sich auf die Kraftstoffzudosierung stützen, um bei Fehlen einer herkömmlichen Luftdrosselung die Last zu steuern. Basierend auf den Anforderungen nach Motorlast können Schichtladungs-SIDI-Motoren in zwei verschiedenen Betriebsarten, nämlich in dem Homogenladungsbetrieb und in dem Schichtladungsbetrieb, die hinsichtlich der Luft/Kraftstoff-Gemischvorbereitung jeweils verschiedene Anforderungen besitzen, arbeiten. Für den homogenen Betrieb bei hoher Last ist das Maximieren der Motorleistung das primäre Ziel, weshalb sich der Sprühstrahl so weit wie möglich ausdehnen muss, um möglichst viel Luft zur Vermischung mit Kraftstoff einzufangen. Somit wird typischerweise ein weiterer Sprühkegelwinkel favorisiert. Im Gegensatz dazu ist unter einem Betrieb bei niedriger Last und Schichtladung, bei dem eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt wird, das Gemisch insgesamt mager. Jedoch erfordern Anforderungen nach Verbrennungsstabilität und geringen Emissionen, dass der Kraftstoff in der Nähe von Stöchiometrie verbrannt wird. Daher ist ein kompaktes bzw. verdichtetes Gemisch erforderlich, um eine umfassende Schichtladung zu erreichen. Im Extremfall wird bei dem Leerlaufzustand sehr wenig Kraftstoff eingespritzt, wobei die Kraftstoffwolke sehr kompakt sein muss. In Anbetracht des weiten Bereichs der geforderten Schichtladung bei verschiedenen Teillasten, wird typischerweise ein mittlerer Sprühkegelwinkel ausgewählt, der für mittlere Lasten, jedoch nicht unbedingt für große und niedrige Lasten optimal ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden unterschiedliche Betriebsanforderungen zwischen dem Homogenladungsbetrieb und dem Schichtladungsbetrieb in einfacher Weise gemanagt. Die 5A und 5B zeigen effektive Sprühkegelwinkel als Funktion der axialen Spitzeneindringung für eine Standard-Einspritzvorrichtung bzw. eine Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen. Bei der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen nimmt der effektive Sprühkegel fortschreitend mit der Spitzeneindringung zu. Von dem Schichtladungsbetrieb bei niedriger Last bis zu dem homogenen Betrieb bei hoher Last wird mit zunehmender Last mehr Kraftstoffmasse eingespritzt. Bei auf die eingespritzte Masse bezogener endgültiger Sprühstrahleindringung wird bei einer höheren Last eine stärkere Eindringung und somit ein größerer effektiver Sprühkegelwinkel bewirkt. Als unmittelbarer Nutzen erfüllen die Veränderungen des effektiven Sprühkegelwinkels mit der Motorlast (eingespritzten Kraftstoffmasse) die oben besprochenen Motorbetriebsanforderungen. Durch weitere Optimierung des Sprühkegels der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen kann sowohl bei dem Schichtladungsbetrieb als auch bei dem homogenen Betrieb eine im Vergleich zu der Standard-Einspritzvorrichtung insgesamt bessere Leistung erzielt werden. Es ist notwendig, dass an der Niedriglastgrenze des Motors, die beispielsweise durch den mittleren Nettowirkdruck (net mean effective pressure, NMEP) gemessen wird und, wie allgemein anerkannt wird, einen Variationskoeffizienten (coefficient of variation, COV) des mittleren indizierten Wirkdrucks (indicated mean effective pressure, IMEP) von nicht mehr als 5% aufweist, der Kraftstoffsprühkegel den Zündkerzenspalt schneidet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kraftstoffeinspritzung mit verdrehten Fahnen kooperativ mit der Grundansaugluftverwirbelung in der Weise kombiniert, dass eine verbesserte Verbrennungsstabilität erwirkt wird. Die Erfinder haben durch weiteres CFD-Modellieren festgestellt, dass das Bereitstellen von Kraftstoff, der von der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen eingespritzt wird, zu einer verbesserten Zündungsstabilität und einer erhöhten Spitzenverbrennungsrate führt, wenn die Kraftstofffahnen mit einer tangentialen Komponente eingeführt werden, die der Verwirbelung der Grundansaugluft entgegengerichtet ist. Eine solche kooperative Anordnung wird hier als Gegenverwirbelung bezeichnet und bevorzugt, wohingegen das Einführen von Kraftstofffahnen mit einer tangentialen Komponente in derselben Richtung wie die Verwirbelung der Grundansaugluft hier als Mitverwirbelung bezeichnet wird. In den 6 bis 8 sind beispielhafte CFD-Ergebnisse gezeigt. Eine Gegenverwirbelung zwischen der Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen und der Grundansaugluft verringert die sprühstrahlinduzierte Geschwindigkeit und verlängert somit die Verweilzeit des zündfähigen Gemischs um den Zündkerzenspalt. Die in den 6 und 7 gezeigten CFD-Ergebnisse vergleichen das Äquivalenzverhältnis bzw. die Geschwindigleit in der Umgebung der Funkenstrecke für die Einspritzvorrichtung mit verdrehten Fahnen mit einer Gegen-Grundströmungsverwirbelungsrichtung für die Ansaugluft. Ein Fachmann erkennt, dass die Geschwindigkeit im Mittel um etwa 5 m/s abnimmt und das Äquivalenzverhältnis um etwa 0,2 zunimmt. Die Gegenverwirbelung führt außerdem zu einer höheren Spitzenverbrennungsrate, wie in 8 gezeigt ist, aus der ein Fachmann erkennt, dass eine um etwa 10% höhere Spitzenverbrennungsrate erzielt wird. Ein Fachmann erkennt außerdem, dass eine Manipulation bzw. Veränderung der beschriebenen Anordnungen einschließlich der Durchgangslochmuster, des Sprühkegelwinkels, der Verwirbelungsintensität, der Zündkerzen- und Einspritzvorrichtungsorte usw. zu unterschiedlichen Leistungsergebnissen führt.
Die Erfindung ist mit spezifischem Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform und Veränderungen daran beschrieben worden. Anderen können mit dem Lesen und Verstehen der Patentbeschreibung weitere Veränderungen und Abwandlungen einfallen. Sämtliche solcher Abänderungen und Abwandlungen sollen, insoweit sie im Umfang der Erfindung liegen, umfasst sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, die eine Verbrennungskammer (16) veränderlichen Volumens mit einem Zylinder (14) und einem Hubkolben (12), eine Zündkerze (36) mit einer Funkenstrecke und eine Vorrichtung (42) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder (14) zum Herbeiführen eines Kraftstoffsprühstrahlmusters in der Verbrennungskammer (16) umfasst, umfassend: Vorsehen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit mehreren Durchgangslöchern (20), die in einem Durchgangslochmuster (10) angeordnet sind, wobei jedes der Durchgangslöcher (20) eine Einlassöffnung (22) und eine Auslassöffnung (24) aufweist und bewirkt, dass eine Kraftstofffahne längs einer jeweiligen Durchgangslochachse (40) geleitet wird, die weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie (38) noch koplanar mit dieser ist, um ein Kraftstoffsprühstrahlmuster mit einem Kraftstoffkegelwinkel zu erzeugen, der mit zunehmender Kraftstoffmasseneinspritzung zunimmt, wobei das Durchgangslochmuster (10) eine Kraftstoffsprühstrahlverwirbelung erzeugt, die einer Grundansaugluftverwirbelung entgegengerichtet ist; und Anordnen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (42) und der Funkenstrecke derart, dass das Kraftstoffsprühstrahlmuster die Funkenstrecke schneidet.
Vorrichtung einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung, die umfasst: eine Verbrennungskammer (16) mit veränderlichem Volumen, die einen Zylinder (14), einen Zylinderkopf mit einem Einlassventil und einem Auslassventil und einen Hubkolben (12) umfasst; eine Zündkerze (36) mit einer Funkenstrecke zum Erzeugen eines Zündfunkens in der Verbrennungskammer (16); und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (42) zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer (16), wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (42) eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit mehreren Durchgangslöchern (20) aufweist, die in einem Durchgangslochmuster (10) angeordnet sind, wobei jedes der Durchgangslöcher (20) eine Einlassöffnung (22) und eine Auslassöffnung (24) aufweist und eine Kraftstofffahne längs einer jeweiligen Durchgangslochachse (40) leitet, die weder parallel zu der Einspritzvorrichtungsmittellinie (38) noch koplanar mit dieser ist, um ein Kraftstoffsprühstrahlmuster mit einem Kraftstoffkegelwinkel zu erzeugen, der mit zunehmender Kraftstoffmasseneinspritzung zunimmt, wobei jedes der Durchgangslöcher (20) eine Kraftstofffahne so leitet, dass sie einer Grundansaugluftverwirbelung entgegengerichtet verwirbelt wird, und wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (42) und die Zündkerze (36) kooperativ angeordnet sind, derart, dass das Kraftstoffsprühstrahlmuster die Funkenstrecke schneidet.
Vorrichtung einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung und Direkteinspritzung nach Anspruch 2, wobei der Hubkolben (12) eine vertiefte Schale (18) aufweist.