DE19956134C2 - Mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitende, ventilgesteuerte Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitende, ventilgesteuerte Hubkolben-Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist aus der JP 0003253763 AA bekannt und es ist bei dieser bekannten Lösung zylinderkopfseitig, gegenüberliegend zu einer zentrisch im Kol­ ben angeordneten, relativ flachen, mehr als die Hälfte des Kol­ bendurchmessers überdeckenden Kolbenmulde eine kegelartige Ver­ tiefung vorgesehen, die bei flachem Kegelwinkel den vollen Zy­ linderdurchmesser überdeckt, wobei die Ventile im Kegelmantel­ bereich angeordnete und benachbart zum zentral liegenden Injek­ tor liegende Gaswechselöffnungen steuern. Bei einer derartigen Lösung, bei der die Zündkerze benachbart zum Injektor auf die zylinderkopfseitige Vertiefung ausmündet, ergibt sich ein ver­ hältnismäßig flächiger Brennraum, der es erschwert, durch die geeignete Ausgestaltung des bekannten, mit Luftunterstützung arbeitenden Direkteinspritzsystemes hinsichtlich der Aufberei­ tung des eingebrachten Gemisches erreichbare Vorteile in ent­ sprechende Vorteile bezüglich des Verbrennungsablaufes und der Verbrennungsqualität der Brennkraftmaschine umzusetzen.

Eine weitere Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffein­ spritzung auf den Brennraum über einen mit Luftunterstützung arbeitenden Injektor ist aus der DE 689 10 604 T2 bekannt, und es ist bei dieser bekannten Lösung der Injektor seitlich zum Brennraum angeordnet, der im wesentlichen durch eine domartige, sich zylinderkopfseitig in Überdeckung zum Kolben erstreckende Vertiefung gebildet ist. Der verwendete Injektor arbeitet mit einem Niederdruckeinspritzventil, das auf einen Luftkanal ein­ spritzt, der zur sitzgesteuerten, brennraumseitigen Mündung des Injektors führt und über den der eingespritzte Kraftstoff zu­ sätzlich aufbereitet und weiter transportiert wird. Die Ausbil­ dung der entsprechenden Kanalwege ist auf eine rückstandslose und gleichmäßige Mitnahme des eingespritzten Kraftstoffes aus­ gerichtet, um Qualitätsschwankungen in der Art der Aufbereitung und der Zusammensetzung des Gemisches zu vermeiden. Brennkraft­ maschinenseitig führt die seitliche, zur Kolbenbodenfläche fast parallel liegende Anordnung des Einspritzinjektors, dem ein Ma­ gnetsteller als Stellglied zugeordnet ist, zu Schwierigkeiten in der gleichmäßigen Erfassung des Brennraumes.

Einen mit einem Magnetsteller arbeitenden Einspritzinjektor zeigt auch die EP 242 370 B1. Über den Injektor wird Druckluft in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgeblasen, wobei der Druckluft im der Mündungsöffnung vorgelagerten Bereich des Injektors Kraftstoff beigefügt wird, der über ein Niederdruck­ system bei gegenüber dem Luftdruck höheren Druckniveau des Kraftstoffes dem Luftstrom beigefügt wird. Über die Geometrie der Mündungsöffnung und des dieser zugeordneten Sperrgliedes, das zwischen einer Öffnungs- und Schließlage umstellbar ist, wird für das auf den Brennraum ausgeblasene Kraftstoff- Luftgemisch die Art der Verteilung bestimmt, sobald über das Sperrglied die Mündungsöffnung freigegeben ist.

Desweiteren sind aus der DE 195 34 445 C2 für Einspritzventile von Brennkraftmaschinen Stellglieder bekannt, die als Piezoak­ tuatoren ausgebildet sind und die in ihrem Verstellweg in Ab­ hängigkeit von der angelegten Spannung verstellbar sind, so dass in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zwischen Öff­ nungs- und Schließstellung unterschiedliche Zwischenstellungen einstellbar sind. Die spannungsabhängige Steuerung derartiger Piezoaktuatoren ist auch der DE 196 52 801 C1 zu entnehmen, und zwar in Berücksichtigung von durch Temperatur und Energieein­ trag bedingten Abweichungen. Ferner ist auch aus dieser Druck­ schrift ein Verfahren zur Ansteuerung derartiger Piezoaktuato­ ren als kapazitiver Stellglieder mit einem vorgegebenen Ener­ giebetrag zu entnehmen.

Zur Verbesserung der Gemischbildung in Verbindung mit Injekto­ ren ist es auch bekannt (DE 196 29 589 A1), eine Beheizung des Injektors vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolben- Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend aus­ zugestalten, dass sich durch die Ausgestaltung und die wechsel­ seitige Zuordnung von Brennraum und auf diesen ausmündenden und in der Steuerung seiner Funktionen auf diesen abstimmbaren In­ jektor optimierte Verhältnisse bezüglich der Gemischaufberei­ tung und Verteilung im Brennraum mit entsprechenden Vorteilen hinsichtlich des Verbrennungsablaufes und der Verbrennungsqua­ lität ergeben.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird von einer durch die zy­ linderkopfseitige Vertiefung und die Kolbenmulde gebildeten, im Bereich der Zylinderachse liegenden, quetschspaltumschlossenen Brennraummulde ausgegangen, was zur Konzentration des eigentli­ chen Verbrennungsvorganges auf einen zentralen, in sich ge­ schlossenen Bereich führt und die Konzentration des über den Injektor eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisches in diesem zen­ tralen, durch die Brennraummulde gebildeten Bereich des Brenn­ raumes begünstigt. Zudem ermöglicht die Gruppierung der Ventile um die zylinderkopfseitige Vertiefung im Bereich der Brennraum­ mulde eine weitgehend freie Gestaltung der Muldenkonturen, so dass in Abstimmung auf den Injektor eine optimierte Gemischver­ teilung erreicht werden kann. Injektorseitig wird dem für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine dadurch Rechnung getragen, dass über einen Piezoaktuator als Stellglied der Austrittsquerschnitt des Injektors auf die Brennraummulde variiert werden kann, womit, ergänzend zur guten internen Kraftstoffaufbereitung im Injektor durch Zuführung des Kraftstoffes über ein Niederdruckeinspritzventil und die bezüg­ lich des Luftdruckes und/oder des Kraftstoffdruckes variable Einstellung des Kraftstoff-Luftgemisches, auch der Strahlwinkel zu beeinflussen ist. Damit sind Möglichkeiten eröffnet, in Ab­ hängigkeit von den Betriebsbedingungen über den Injektor auf die Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches, bzw. dessen Aus­ strömrichtung insbesondere im Bereich der Brennraummulde Ein­ fluss zu nehmen, so beispielsweise den von der Zündkerze beleg­ ten Bereich der zylinderkopfseitigen Vertiefung besonders zu beaufschlagen. Bezogen auf die Einbringung des Kraftstoff- Luftgemisches über den Injektor ist dabei vorgesehen, dass das Kraftstoff-Luftgemisch als Einspritzkegel mit einem Strahlwin­ kel ausgebracht wird, dessen kolbenseitiger Kegeldurchmesser kleiner als der Öffnungsquerschnitt der Kolbenmulde ist, die in der oberen Totpunktlage des Kolbens den überwiegenden Anteil des Brennraumes bildet.

Mit der stufenlosen Einstellbarkeit des Öffnungsquerschnittes über einen Piezoaktuator als Stellglied ist auch die Möglich­ keit der Taktung über der Öffnungsdauer gegeben, also die Mög­ lichkeit zeitlicher Veränderungen des Öffnungsquerschnittes über die Gesamtöffnungsdauer.

Als weitere Möglichkeit, auf die Gemischaufbereitung injektor­ seitig Einfluss zu nehmen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Injektor insbesondere im Bereich seiner Mündungöffnung beheiz­ bar auszubilden.

Zur Optimierung des Verbrennungsablaufes, insbesondere zur Si­ cherstellung eines einwandfreien Zündverhaltens der Brennkraft­ maschine dient die Strahlführung des über den Injektor einge­ brachten Kraftstoff-Luftgemisches in den Bereich der Zündkerze. Im Hinblick auf minimale Abgasemissionen kann es weiter zweck­ mäßig sein, den Injektor aufgrund der erreichten Ansteuerungs­ möglichkeiten dahingehend zu nutzen, dass zur Nachoxidation nach dem oberen Totpunkt nochmals Luft in den Brennraum einge­ bracht wird, wobei eine solche zusätzliche Lufteinblasung maxi­ mal bis zum Öffnen des oder der Einlassventile der Brennkraft­ maschine erfolgen sollte und insbesondere bei Steuerung der Einbringung des Kraftstoffes auf den Injektor über ein Kraft­ stoff-Niederdruckventil ohne Zusatzaufwand möglich ist. Die Ausgestaltung des Injektors mit einem Niederdruckventil mit der nachfolgenden Aufbereitung des Kraftstoff-Luftgemisches im In­ jektor bietet auch Möglichkeiten der Qualitätsbeeinflussung für das Kraftstoff-Luftgemisch, zu der auch seitens des Nieder­ druckventiles gegebenenfalls eine Beheizung vorgesehen sein kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü­ chen. Ferner wird die Erfindung mit weiteren Details anhand der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Kraftstoffeinspritzanla­ ge, bei der über einen Injektor in den Brennraum ei­ ner nicht dargestellten Brennkraftmaschine ein Kraft­ stoff-Luftgemisch eingebracht wird und die Zufuhr des Kraftstoffes auf den Injektor über ein Niederdruck­ einspritzventil erfolgt, das in der gezeigten Ausfüh­ rungsform seinerseits ebenfalls mit Luftunterstützung arbeitet,

Fig. 2 eine weitere, stark schematisierte Prinzipdarstel­ lung, die einen Ausschnitt aus einer Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine mit einem Kolben zeigt, in dessen Kol­ benboden eine Kolbenmulde vorgesehen ist, der zylin­ derkopfseitig gegenüberliegend ein Injektor und eine Zündkerze vorgesehen sind, und

Fig. 3 in ebenfalls stark schematisierter Darstellung den Mündungsbereich eines Injektors, der als Sperrglied eine nach aussen öffnende Injektornadel aufweist, die nahe dem Mündungsbereich beheizt ist.

In der Schemadarstellung gemäß Fig. 2 ist mit 1 ein Zylinder einer insbesondere mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, die einen Kolben 2 aufnimmt, welcher gegenüber dem den Zylinder 1 abdeckenden Zylinderkopf 3 einen Brennraum 4 ab­ grenzt, auf den zylinderkopfseitig eine Zündkerze 5 und ein In­ jektor 6 einer Kraftstoffeinspritzanlage ausmünden, der, wie anhand der Fig. 1 noch näher erläutert werden wird, mit Luf­ tunterstützung arbeitet und dem über ein Niederdruckeinspritz­ ventil 7 Kraftstoff zugeführt wird, wobei das Niederdruckein­ spritzventil 7 ebenfalls mit Luftunterstützung arbeiten kann. Der zentral angeordnete Injektor 6 und die Zündkerze 5 münden auf eine zylinderkopfseitig vorgesehene Vertiefung 8 aus, um die sich die nicht dargestellten Ventile gruppieren und der kolbenseitig eine Kolbenmulde 9 gegenüberliegt, wobei die Kol­ benmulde 9 in der oberen Totpunktlage des Kolbens 2 den über­ wiegenden Teil des Brennraumes 4 ausmacht, der die Kolbenmulde 9 umgrenzend kolbenseitig durch einen Ringbereich 10 begrenzt ist, der mit der gegenüberliegenden Zone des Zylinderkopfes 3 einen zur Kolbenmulde 9 hin offenen Quetschspalt bildet.

Eine mögliche Ausgestaltung des Injektors 6 und des Niederdruc­ keinspritzventiles 7 der Kraftstoffeinspritzanlage ist schema­ tisiert in Fig. 1 dargestellt, wobei mit 11 als Sperrglied die Injektornadel bezeichnet ist, die in einem zentralen Kanal 12 des Injektors 6 geführt ist und als gegen den Brennraum 4, also nach aussen öffnende Nadel in einem Kopfteil 13 ausläuft, das als pilzförmige, endseitige Verdickung der Injektornadel 11 ei­ ne Dichtfläche 14 aufweist, die bei - was hier nicht gezeigt ist - in der Schliesslage befindlicher Injektornadel 11 mit der entsprechend konisch aufgeweiteten Dichtflanke 15 der Mündung des Kanales 12 zusammenwirkt und den Kanal 12 gegen den Brenn­ raum 4 absperrt. Der Kanal 12 bildet im Ausführungsbeispiel ei­ ne Luftführung, wobei die Zuführung der Luft auf den Kanal 12 über einen Anschluss 16 erfolgt, dessen Verbindungsweg zum Ka­ nal 12 im einzelnen nicht dargestellt und durch die Strichlinie 17 symbolisiert ist.

Der als Sperrglied dienenden Injektornadel 11 ist ein Stellan­ trieb 18 zugeordnet, der im von dem Kopfteil 13 abgelegenen Be­ reich vorgesehen ist und der hier nur stark symbolisiert darge­ stellt ist, wobei der Stellantrieb 18 durch einen Piezoaktuator an sich bekannten Aufbaus erfindungsgemäß gebildet ist.

Im Bereich der Dichtflanke 15 des Kanales 12 mündet auf diesen die Kraftstoffzuführung aus, die im Ausführungsbeispiel durch mehrere Bohrungen 19 gebildet ist, denen in der Dichtflanke 15 liegende Mündungsöffnungen 20 zugeordnet sind, die über das Kopfteil 13, bzw. dessen Dichtflächen 14 in der Schliesslage der Injektornadel 11 abgesperrt sind und die zusammen mit der Luftzuführung durch den Kanal 12 durch Verstellen der Injek­ tornadel 11 in ihre Öffnungslage freigegeben werden.

Die Zuführung des Kraftstoffes auf die Bohrungen 19 erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie schematisiert darge­ stellt, über das Niederdruckeinspritzventil 7, das aus Gründen der Darstellung in Fig. 1 abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 2 radial zum Injektor 6 angeordnet ist und mit den Boh­ rungen 19 über einen Ringkanal 21 verbunden ist, auf den ein Zufuhrkanal 22 ausmündet, in dessen Verlängerung das Nieder­ druckeinspritzventil 7 liegt und auf den dieses einspritzt. Das Niederdruckeinspritzventil 7 weist zentral, wie schematisiert angedeutet, eine Bohrung 23 auf, die einen Kraftstoffkanal bil­ det und in der eine Düsennadel 24 axial verschieblich geführt ist, wobei der der Düsennadel 24 zugeordnete Stellantrieb nicht weiter dargestellt ist und das Niederdruckventil 7 grundsätz­ lich einen Aufbau aufweisen kann, wie er in Verbindung mit mit Saugrohreinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen bereits bekannt geworden ist.

Wird die Düsennadel 24 von der Mündungsöffnung 25 des Nieder­ druckeinspritzventiles 7 abgehoben, so tritt der Kraftstoff über die Mündungsöffnung 25 in Richtung auf den Zufuhrkanal 22 aus, wobei eine Vermischung mit der Luft eintritt, die über den Kanal 26 des Niederdruckeinspritzventiles 7 zugeführt wird, der im Bereich des Überganges zwischen der Mündungsöffnung 25 und dem Kanal 22 ausmündet, so dass sich eine entsprechende Vermi­ schung von Luft und Kraftstoff ergibt. Das so gebildete Kraft­ stoff-Luftgemisch gelangt über die Bohrungen 19 in den Mün­ dungsbereich des Injektors 6 und vermischt sich dort bei geöff­ neter Injektornadel 11 mit dem über den Kanal 12 zugeführten Luftanteil.

Die Luftversorgung ist in Fig. 1 symbolisch dargestellt durch eine Pumpe 27, der eine Leitungsverbindung 28 zum Anschluss 16 des Injektors 6 und eine Leitungsverbindung 29 zum Luftkanal 26 des Niederdruckeinspritzventiles 7 zugeordnet sind. In den Lei­ tungsverbindungen 28 und 29 ist - symbolisch dargestellt - je­ weils ein Druckregler 30 bzw. 31 angeordnet, wobei über die Druckregler 30 bzw. 31 das Druckniveau derart abgestimmt wird, das am Niederdruckventil 7 ein höherer Luftdruck anliegt als am Anschluss 16 des Injektors.

Im Hinblick auf den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraft­ maschine kann sowohl der Kraftstoffdruck wie auch das Verhält­ nis der Luftdrücke verändert werden. Zusätzlich kann auf die Gemischzusammensetzung, insbesondere aber auch auf die Gemisch­ verteilung im Brennraum noch über die Taktung und/oder den Öff­ nungsgrad des Injektors 6 Einfluss genommen werden, mit ent­ sprechenden Auswirkungen auf den Ablauf von Zündung und Ver­ brennung.

Um Kraftstoffanlagerungen im Mündungsbereich des Injektors 6 zu vermeiden, aber auch um Entmischungseffekten sowie einer Agglo­ meration von Kraftstoffpartikeln bei geschlossenem Injektor 6 vorzubeugen, erweist es sich als zweckmäßig, die Injektornadel 11 nahe dem Mündungsbereich des Injektors 6 zu beheizen, was in Fig. 3 schematisiert angedeutet ist, in dem der Injektornadel 11 nahe ihrem Kopfteil 13 ein Heizelement 32 zugeordnet ist.

Claims (2)

1. Mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitende, ven­ tilgesteuerte Hubkolben-Brennkraftmaschine, deren Brennraum im wesentlichen durch eine zentrale Kolbenmulde und eine dieser gegenüberliegende, zylinderkopfseitige Vertiefung gebildet ist, auf die ein ein Kraftstoff-Luftgemisch einbringender, zentral zur Zylinderachse liegender Injektor und eine benachbart lie­ gende Zündkerze ausmünden, wobei die Ventile um den Injektor gruppiert sind, der über einen Stellantrieb beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile bei durch die Vertiefung (8) und die Kolben­ mulde (9) gebildeter, im Bereich der Zylinderachse liegender, quetschspaltumschlossener Brennraummulde um die zylinderkopf­ seitige Vertiefung (8) gruppiert sind und dass die Zündkerze (5) winklig zum Injektor (6) liegt, dem Kraftstoff über ein Niederdruck-Einspritzventil (7) zugeführt wird und der bezüg­ lich seines Austrittsquerschnittes über einen Piezoaktuator als Stellantrieb (18) in seinem Austrittsquerschnitt stufenlos ein­ stellbar ist, derart, dass bei bezüglich des Luftdruckes und/oder des Kraftstoffdruckes variabel einstellbarem Kraft­ stoff-Luftgemisch der Strahlwinkel des Injektors (6) variabel ist und das Kraftstoff-Luftgemisch einen Einspritzkegel bildet, dessen kolbenseitiger Kegeldurchmesser kleiner als der Öff­ nungsquerschnitt der in der oberen Totpunktlage des Kolbens (2) den überwiegenden Teil des Brennraumes (4) bildenden Kolbenmul­ de (9) ist.

2. Mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitende, ven­ tilgesteuerte Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) beheizt ist.