DE19820085A1 - Direkteinspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Eine verbesserte Gemischaufbereitung, die sich durch geringen Kraftstoffverbrauch sowie durch geringe Abgasemissionen auszeichnet, wird bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, die pro Zylinder wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Einlaßventile 1, eine Anzahl von Auslaßventilen 2, eine im wesentlichen koaxiale Zündkerze 3, ein Einspritzventil 4 und einen Kolben 5 aufweist, wobei das Einspritzventil 4 zwischen zwei der nebeneinander angeordneten Einlaßventile 1 und dem an die beiden Einlaßventile 1 angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand angeordnet ist, dadurch erreicht, daß der Kolben 5 drei Brennraummulden 6, 6', 6'' aufweist, wobei sich die eine Brennraummulde 6 im wesentlichen in Richtung der senkrechten Projektion eines aus dem Einspritzventil 4 austretenden Einspritzstrahles E auf die Stirnfläche des Kolbens 5 erstreckt, die beiden anderen Brennraummulden 6', 6'' seitlich benachbart zu der einen Brennraummulde 6 angeordnet sind und die Übergänge zwischen den Brennraummulden 6, 6', 6'' als Stege 7, 7', 7'' ausgebildet sind.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschi
ne, die pro Zylinder wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Einlaß
ventile, eine Anzahl von Auslaßventilen, eine im wesentlichen koaxiale
Zündkerze, ein Einspritzventil und einen Kolben aufweist, wobei das Ein
spritzventil zwischen zwei der nebeneinander angeordneten Einlaßventile
und dem an diese beiden Einlaßventile angrenzenden Abschnitt der Zylin
derwand angeordnet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfah
ren zur Gemischaufbereitung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftma
schine.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der Druck
schrift EP 0 558 072 A1 bekannt. Dort wird der Kraftstoff mittels Hochdruck
einspritzdüsen bereits direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine einge
spritzt.
Darüber hinaus ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine auch aus der
Druckschrift DE 37 02 899 A1 bekannt, wo der Verbrennungsablauf im
Brennraum durch geometrische Gestaltungsmaßnahmen sowie durch eine
bestimmte Anordnung der Zündkerze und der Einspritzventile beeinflußt
wird.
Bei diesen Brennkraftmaschinen finden Dosierung des Kraftstoffs und Aufbe
reitung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft gleichzeitig statt. Dabei ist je
doch nicht berücksichtigt, daß die Gemischaufbereitung sowohl bei einem
homogenen Magerbetrieb als auch bei einem geschichteten Magerbetrieb
möglichst optimal ablaufen soll. Daher wird beim geschichteten Magerbetrieb
meist eine unförmige Ladungswolke erzeugt, die nur in ungenügender Weise
entzündet werden kann, was ungünstige Abgasemissionen zur Folge hat.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte direkteinspritzende Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur
Gemischaufbereitung bei der verbesserten Brennkraftmaschine zu konzipie
ren, welche sich im homogenen Magerbetrieb und im geschichteten Mager
betrieb durch einen geringen Kraftstoffverbrauch sowie durch geringe Abga
semissionen auszeichnen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der Kolben drei Brennraummulden auf,
wobei sich die eine Brennraummulde im wesentlichen in Richtung der senk
rechten Projektion eines aus dem Einspritzventil austretenden Einspritz
strahles auf die Stirnfläche des Kolbens erstreckt, die beiden anderen Brenn
raummulden seitlich benachbart zu der einen Brennraummulde angeordnet
sind und die Übergänge zwischen den Brennraummulden als Stege ausge
bildet sind. Dabei dient die eine Brennraummulde zur Führung des durch das
Einspritzventil eintretenden Kraftstoffs, während die beiden anderen, seitlich
benachbart angeordneten Brennraummulden zur Führung der durch die
Einlaßventile eintretenden Frischluft dient. Dadurch, daß die Übergänge zwi
schen den Brennraummulden als Stege ausgebildet sind, wird sowohl im
homogenen Magerbetrieb als auch im geschichteten Magerbetrieb jeweils
eine optimale Durchmischung von Kraftstoff und Frischluft erzielt.
Dazu strömt die durch die Einlaßventile eintretende Frischluft tumbleförmig in
den Brennraum der Brennkraftmaschine, wobei die Strömung an der den
Einlaßventilen gegenüberliegenden Zylinderwand nach unten in Richtung auf
den Kolben zuströmt und durch die beiden seitlichen Brennraummulden in
zwei Strömungszweige aufgespalten wird. Und durch das Einspritzventil wird
der Kraftstoff je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine früher oder
später in die im Brennraum vorherrschende Strömung eingespritzt.
Im Fall des homogenen Magerbetriebs wird die tumbleförmig eintretende
Frischluft, welche die beiden seitlich benachbarten Brennraummulden durch
strömt, an den Stegen, welche den Übergang zu der dritten Brennraummul
de darstellen, nach oben hin umgelenkt, so daß der Kraftstoff entgegen die
beiden Strömungszweige des Doppeltumbles in den Brennraum eingespritzt
wird.
Und im Fall des geschichteten Magerbetriebs wird der erst später einge
spritzte Kraftstoff vor die beiden Strömungszweige des Doppeltumbles in den
Bereich der einen Brennraummulde eingebracht. Erreichen die eingespritz
ten Kraftstoffteilchen daraufhin die Stege, welche die eine Brennraummulde
von den beiden anderen seitlich benachbart angeordneten Brennraummul
den trennen, so werden sie mit einem Teil der von der gegenüberliegenden
Seite auf die Stege zuströmenden und daran umgelenkten Frischluft durch
mischt, so daß zwischen den Stegen in einem wohl definierten Bereich der
einen Brennraummulde eine homogene Gemischwolke entsteht, wohinge
gen in den übrigen Bereichen des Brennraums ein deutlicher Luftüberschuß
herrscht. Die Gemischwolke wird dann durch die weitere Verdichtungsbewe
gung des Kolbens nach oben zur Zündkerze transportiert und dort gezündet.
Zur Unterstützung der tumbleförmigen Frischluftströmung sollten die Einlaß
ventile gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen maxi
malen Abstand zueinander aufweisen. Dieses Merkmal begünstigt außerdem
die Unterbringung des Einspritzventils zwischen den Einlaßventilen.
Das Einspritzventil soll in einem Winkel von ca. 30 bis 80 Grad zur Achse
des Zylinders geneigt angeordnet sein, damit der eingespritzte Kraft
stoffstrahl auch im geschichteten Magerbetrieb noch bis zu den Stegen der
einen Brennraummulde und den beiden anderen seitlich benachbart ange
ordneten Brennraummulden reicht. Alternativ oder ergänzend könnte das
Einspritzventil auch einen Bendwinkel aufweisen, welcher den Einspritzstrahl
in die gewünschte Richtung ablenkt.
Durch die Neigung und/oder den Bendwinkel des Einspritzventils kann der
Kraftstoffstrahl so eingestellt werden, daß er für den homogenen Magerbe
trieb bei einem ersten Kurbelwellenwinkel in die tumbleförmige Frischluft
strömung hinein und für den geschichteten Magerbetrieb bei einem zweiten
Kurbelwellenwinkelbereich vor die tumbleförmige Frischluftströmung gerich
tet ist, so daß für beide Betriebsphasen eine optimale Gemischaufbereitung
erreicht wird.
Für den homogenen Magerbetrieb spritzt das Einspritzventil während des
Ansaugtaktes je nach Drehzahl bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 440
bis 280 Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in
den Zylinder ein. Denn auf diese Weise wird der Kraftstoff etwa mittig in die
im Brennraum vorherrschende Frischluftströmung eingebracht, so daß der
Kraftstoff und die Frischluft homogen durchmischt werden können.
Und für den geschichteten Magerbetrieb spritzt das Einspritzventil während
des Kompressionstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 120 bis 30
Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylin
der ein. Somit wird der Kraftstoff größtenteils vor die tumbleförmige Frisch
luftströmung eingespritzt, wird aufgrund der Stege das Gemisch aus Kraft
stoff und Frischluft innerhalb der einen Brennraummulde in einer zündfähi
gen Ladungswolke stabilisiert und schließlich zur Zündkerze transportiert.
Dabei dienen die beiden anderen seitlich benachbart angeordneten Brenn
raummulden zur Führung bzw. Bündelung der tumbleförmigen Frischluft
strömung und dient die eine Brennraummulde zur Stabilisierung der sich
ausbildenden zündfähigen Mischwolke. Die Aufbereitung der Ladungswolke
kann dabei trotz des relativ späten Einspritzzeitpunktes vollständig ablaufen.
Bevorzugt sind nicht nur zwei Stege zwischen der einen Brennraummulde
und den beiden anderen seitlich benachbart angeordneten Brennraummul
den vorgesehen, sondern ist ein weiterer Steg direkt zwischen den beiden
anderen seitlichen Brennraummulden vorgesehen, wobei die drei Stege
dann Y-förmig miteinander verbunden sind. Durch dieses Merkmal kann die
an den Einlaßventilen vorbei in den Brennraum einströmende Frischluft noch
besser geführt werden, so daß sich die Frischluftströmung besonders gut in
einen Doppeltumble aufspaltet und anschließend in einem Punkt auf Achse
des Zylinders zentrieren kann.
Besonders bevorzugt ist der Scheitelpunkt der Y-förmig miteinander verbun
denen Stege erhöht ausgebildet. Der erhöhte Scheitelpunkt kann das Auf
spalten der einströmenden Frischluft wirkungsvoll unterstützen.
Die Aufspaltung der einströmenden Frischluft wird außerdem auch dadurch
unterstützt, daß der Steg zwischen den beiden anderen seitlich angeordne
ten Brennraummulden breiter ausgeformt ist als die beiden Stege zwischen
der einen Brennraummulde und den beiden anderen Brennraummulden.
Denn um so breiter der Steg zwischen den beiden anderen Brennraummul
den ausgeformt ist, desto weiter müssen sich die beiden Strömungszweige
des Doppeltumbles aufspalten.
Zweckmäßig ist die eine Brennraummulde größer als die beiden anderen
seitlich benachbart angeordneten Brennraummulden. Dadurch kann die eine
Brennraummulde im geschichteten Magerbetrieb eine ausreichend große
Ladungswolke aufnehmen und stabilisieren.
Die eine Brennraummulde sollte unterhalb der Zündkerze angeordnet sein,
damit beim geschichteten Magerbetrieb die Zündung der darin stabilisierten
Ladungswolke erleichtert wird.
Ist der Kolben der Brennkraftmaschine insgesamt etwa dachförmig ausgebil
det, so können die eine sowie die anderen Brennraummulden zu den dach
seitig abgeflachten Rändern des Kolbens hin jeweils sanft auslaufen, was
das Einspritzen des Kraftstoffstrahles in die eine Brennraummulde sowie das
Einströmen des Frischlufttumbles in die beiden anderen seitlich benachbart
angeordneten Brennraummulden begünstigt.
Gelöst wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ferner durch ein Verfah
ren zur Gemischaufbereitung bei der direkteinspritzenden Brennkraftmaschi
ne gemäß Anspruch 13.
Bei diesem Verfahren bildet die Frischluft eine tumbleförmige Strömung aus,
welche nahe am Rand des Kolbens in die beiden anderen seitlich benach
bart angeordneten Brennraummulden eintritt und dadurch in zwei separate
Strömungszweige aufgespalten wird. Diese Strömungszweige werden dann
auf die eine Brennraummulde zu bewegt und an den jeweils den Übergang
bildenden Stegen nach oben in Richtung auf die Zündkerze umgelenkt.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von vier Gas
wechselventilen, Zündkerze, Einspritzventil und Kolben einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine in vereinfachter
Darstellung;
Fig. 2 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 1;
Fig. 3 eine entlang der Linie III-III geschnittene Ansicht des Kol
bens aus Fig. 2; und
Fig. 4 eine entlang der Linie IV-IV geschnittene Ansicht des Kol
bens aus Fig. 2.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist gemäß Fig. 1 mit zwei ne
beneinander angeordneten Einlaßventilen 1 pro Zylinder ausgestaltet. Diese
beiden Einlaßventile 1 befinden sich auf einer Halbseite eines nicht näher
dargestellten Zylinders und zwei ebenfalls nebeneinander angeordnete
Auslaßventile 2 befinden sich auf der anderen Halbseite des Zylinders. Zu
dem weist die Brennkraftmaschine eine Zündkerze 3 auf, die konzentrisch zu
der Achse des Zylinders angeordnet ist. Pro Zylinder ist außerdem ein Ein
spritzventil 4 vorgesehen, welches zwischen den beiden Einlaßventilen 1
und dem an die beiden Einlaßventile 1 angrenzenden Abschnitt der Zylin
derwand angeordnet ist. Der im Zylinder der Brennkraftmaschine angeord
nete Kolben 5 weist drei Brennraummulden 6, 6', 6" mit als Übergang dazwi
schen angeordneten Stegen 7, 7', 7" auf.
Die durch die beiden Einlaßventile 1 in den Zylinder einströmende Frischluft
bildet innerhalb des Brennraums eine Tumbleströmung S aus. Die Ausbil
dung der Tumbleströmung S wird dabei begünstigt, wenn die beiden Einlaß
ventile 1 einen maximalen Abstand zueinander aufweisen. Zudem erleichtert
dies die Positionierung des Einspritzventils 4.
Die beiden Einlaßventile 1 liegen parallel nebeneinander und sind zu der
Zündkerze 3 bzw. zu der Achse des Zylinders jeweils geneigt angeordnet.
Die beiden Auslaßventile 2 liegen ebenfalls parallel nebeneinander und sind
zu der Achse des Zylinders in anderer Richtung als die Einlaßventile 1 ge
neigt angeordnet.
Auch das Einspritzventil 4 der Brennkraftmaschine ist zu der Achse des Zy
linders geneigt angeordnet, wobei der Neigungswinkel α des Einspritzventils
4 ca. 30 bis 80 Grad beträgt. Damit ist das Einspritzventil 4 zur Achse des
Zylinders stärker geneigt als die beiden benachbarten Einlaßventile 1.
Arbeitet die Brennkraftmaschine nun im homogenen Magerbetrieb, so wird
durch das Einspritzventil 4 während des Ansaugtaktes bei einem Kurbelwel
lenwinkel von ca. 440 bis 280 Grad, bevor der Kolben 5 den oberen Totpunkt
erreicht, Kraftstoff in die durch die beiden anderen Brennraummulden 6', 6"
geführte und an den Stegen 7, 7' umgelenkte Frischluftströmung S, S' ein
gespritzt. Dadurch ergibt sich eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen
Frischluftströmung S, S' und Kraftstoffstrahl E, so daß die Einspritzung einer
ausreichenden Menge an Kraftstoff sowie die homogene Durchmischung
von Frischluft und Kraftstoff in kürzester Zeit erfolgen kann.
Arbeitet die Brennkraftmaschine dagegen im geschichteten Magerbetrieb, so
wird durch das Einspritzventil 4 während des Kompressionstaktes bei einem
Kurbelwellenwinkel von ca. 120 bis 30 Grad, bevor der Kolben 5 den oberen
Totpunkt erreicht, Kraftstoff vor die an den Stegen 7, 7' umgelenkte Frisch
luftströmung S, S' in die eine Brennraummulde 6 eingespritzt. Die tumble
förmige Frischluftströmung S, S' und der eingespritzte Kraftstoffstrahl E wer
den innerhalb der Brennraummulde 6 nahe dem Einspritzventil 4 in einer
zündfähigen Ladungswolke stabilisiert und die Ladungswolke wird durch die
weitere Verdichtungsbewegung des Kolbens 5 unter die Zündkerze 3 beför
dert, so daß der zündfähige Anteil der Ladungswolke von einem Zündfun
ken, der im Zylinder koaxial angeordneten Zündkerze 3, erreichbar ist.
Die eine Brennraummulde 6 erstreckt sich im wesentlichen in Richtung der
senkrechten Projektion eines aus dem Einspritzventil 4 austretenden Ein
spritzstrahls E auf die Stirnfläche des Kolbens 5. Und die beiden anderen
Brennraummulden 6', 6" sind jeweils seitlich benachbart zu der einen Brenn
raummulde 6 angeordnet. Dabei ist die eine Brennraummulde 6 bei gleicher
Tiefe etwas größer als die beiden anderen seitlich benachbart angeordneten
Brennraummulden 6', 6". Zudem ist die eine Brennraummulde 6 in günstiger
Weise unterhalb der Zündkerze 3 angeordnet.
Die Stege 7, 7', 7", welche die Brennraummulden 6, 6', 6" voneinander tren
nen, sind Y-förmig miteinander verbunden, wobei der Scheitelpunkt 8 der
Stege 7, 7', 7" erhöht ausgebildet ist. Außerdem sind die beiden Stege 7, 7'
zwischen der einen Brennraummulde 6 und den beiden anderen, seitlich be
nachbart angeordneten Brennraummulden 6', 6" jeweils schmäler ausge
formt als der Steg 7" zwischen den beiden seitlichen Brennraummulden 6',
6".
Der Kolben 5 ist insgesamt dachförmig ausgebildet, so daß die Brennraum
mulden 6, 6', 6" zu den dachseitig abgeflachten Rändern des Kolbens 5 je
weils sanft auslaufen. Diese Form ist auf die zur Achse des Zylinders jeweils
geneigt angeordneten Gaswechselventile 1, 2 der Brennkraftmaschine ab
gestimmt und ermöglicht einen äußerst kompakten Brennraum. Die gedachte
Giebellinie 9 des dachförmigen Kolbens 5 und die beiden Stege 7, 7' sind
schräg zueinander angeordnet, wobei der Giebel 9 die beiden Stege 7, 7'
etwa halbiert.
Claims (13)
1. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine, die pro Zylinder mindestens
zwei nebeneinander angeordnete Einlaßventile, eine Anzahl von Aus
laßventilen, eine im wesentlichen koaxiale Zündkerze, ein Einspritzven
til und einen Kolben aufweist, wobei das Einspritzventil (4) zwischen
zwei der nebeneinander angeordneten Einlaßventile (1) und dem an
diese Einlaßventile (1) angrenzenden Abschnitt der Zylinderwand an
geordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben (5) drei Brennraummulden (6, 6', 6") aufweist, wobei sich
die eine Brennraummulde (6) im wesentlichen in Richtung der senk
rechten Projektion eines aus dem Einspritzventil (4) austretenden Ein
spritzstrahles (E) auf die Stirnfläche des Kolbens (5) erstreckt, die bei
den anderen Brennraummulden (6', 6") seitlich benachbart zu der ei
nen Brennraummulde (6) angeordnet sind und die Übergänge zwischen
den Brennraummulde (6, 6', 6") als Stege (7, 7', 7") ausgebildet sind.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlaßventile (1) einen maximalen Abstand zueinander aufweisen.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) in einem Winkel (α) von ca. 30
bis 80 Grad zur Achse des Zylinders geneigt angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) einen Bendwinkel aufweist,
der den Einspritzstrahl (E) ablenkt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Ansaugtaktes
bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 440 bis 280 Grad, bevor der Kol
ben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder ein
spritzt.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Einspritzventil (4) während des Kompressi
onstaktes bei einem Kurbelwellenwinkel von ca. 120 bis 30 Grad, bevor
der Kolben (5) den oberen Totpunkt erreicht, Kraftstoff in den Zylinder
einspritzt.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die eine Brennraummulde (6) größer ist als die bei
den anderen, seitlich benachbart angeordneten Brennraummulden (6',
6").
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die eine Brennraummulde (6) unterhalb der Zünd
kerze (3) angeordnet ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stege (7, 7', 7"), welche die Brennraummulden
(6, 6', 6") voneinander trennen, Y-förmig miteinander verbunden sind.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Scheitelpunkt (8) der Y-förmig miteinander verbundenen Stege (7,
7', 7") erhöht ausgebildet ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Steg (7") zwischen den beiden anderen seitlich
angeordneten Brennraummulden (6', 6") breiter ausgeformt ist als die
beiden Stege (7, 7') zwischen der einen Brennraummulde (6) und den
beiden anderen Brennraummulden (6', 6").
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kolben (5) insgesamt etwa dachförmig ausge
bildet ist und die Brennraummulden (6, 6', 6") zu den dachseitig abge
flachten Rändern des Kolbens (5) hin jeweils sanft auslaufen.
13. Verfahren zur Gemischaufbereitung bei einer Brennkraftmaschine ge
mäß den Ansprüchen 1 bis 12.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19820085A DE19820085B4 (de) | 1998-05-06 | 1998-05-06 | Direkteinspritzende Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19820085A DE19820085B4 (de) | 1998-05-06 | 1998-05-06 | Direkteinspritzende Brennkraftmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19820085A1 true DE19820085A1 (de) | 1999-11-11 |
DE19820085B4 DE19820085B4 (de) | 2007-12-27 |
Family
ID=7866759
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19820085A Expired - Fee Related DE19820085B4 (de) | 1998-05-06 | 1998-05-06 | Direkteinspritzende Brennkraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19820085B4 (de) |
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