Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet, die durch die Bildung eines bestimmten Kraftstoffstrahlbildes eine verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbild"ung gewährleisten sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden nach außen öffnende Einspritzdüsen zur Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung einge¬ setzt. Das durch solche Einspritzdüsen erzeugte Stra.hlbild ist dabei maßgeblich für die Zündeigenschaften des gebildeten Gemisches. Zur Vermeidung einer Fehlzündung ist die Gestal¬ tung der Brennraumkonfiguration entscheidend, da ein nahezu bleibendes Strahlbild während des Betriebs nicht irαiner gewährleistet ist. Das ist darauf zurückzuführen, dass trotz einer Fertigung der Einspritzdüsen unter Einhaltung der zugelassenen Toleranzen im motorischen Betrieb Stralilbilder mit geringfügigen Abweichungen von einem idealen Stxahlbild zustande kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bereitzustellen, bei der die Gemischbildung sowie die Verbrennung im Brennraum
verbessert sind. Diese wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass im Zylinder eine Zylinderbohrung vorgesehen ist, die einen Durchmesser aufweist, der so bemessen ist, dass zu einem Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine ein Verhältnis von mittlerem Durchmesser des Kraftstoffrandwirbels zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,08 bis 0,2, insbesondere von 0,1 bis 0,12 liegt. Durch die erfindungs¬ gemäß vorgesehenen Abmessungen bzw. Verhältnisse kommt beim Betrieb der Brennkraftmaschine eine auf die Zylinderbohrung angepasste Kraftstoffstrahlstruktur bzw. eine Kraftstoff¬ verteilung zustande, mit der die Bildung von zündfähigem Gemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerze verstärkt wird. Somit wird eine zuverlässige Zündung ohne Zündaussetzer ermöglicht. Die bei den erfindungsgemäßen Verhältnissen überraschend erzielten Effekte werden vorwiegend durch die günstige Abstimmung zwischen der erlangten Verteilung der Kraftstoffteilchen im Randwirbel in Relation zum Bohrungsdurchmesser erreicht .
In einer Weiterbildung der Erfindung liegt zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von mittlerem Durchmesser des Randwirbels zu RandwirbelZentrum in einem Bereich zwischen 0,25 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,1. Hierdurch wird eine bemerkenswert schnelle Kraftstoffausbreitung innerhalb des Randbereichs des Wirbels hervorgerufen und somit eine rasche Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft erzielt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftstoffhohlkegel zum Zündzeitpunkt einen Toruswirbeldurch- messer auf, wobei ein Verhältnis von Toruswirbeldurchmesser zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,4
oder zwischen 0,25 und 0,35 liegt. Somit wird die einspritzte Kraftstoffmenge innerhalb des Hohlkegels gleichmäßig verteilt und eine Kraftstoffvermischung mit der Verbrennungsluf t intensiviert .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraf tstof fhohlkegel einen maximalen Durchmesser der Kraft¬ stoff wölke auf, wobei zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von maximalem Durchmesser zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,35 bis 0,65 oder von 0,45 bis 0,55 liegt. Im vor¬ geschlagenen Bereich bilden sich erfindungsgemäß auf den Bohrungsdurchmesser abgestimmte Strömungsverhältnisse aus, die im Randwirbelbereich eine schnelle und ausreichende Vermischung der Kraftstofftröpfchen mit der Verbrennungsluft ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben eine Mulde mit einem Muldendurchmesser auf, wobei zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von maximalem Durchmesser der Kraftstoff wölke zu Muldendurchmesser zwischen 0,5 und 1,5 oder zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Somit werden turbulente Strömungsbewegungen zwischen Kraftstoffhohlkegel und Kolben¬ oberfläche erzielt, die bei einer Einspritzung des Kraftstoffs im Kompressionstakt zu einem kompakten Kraf tstof f /Luft-Gemisch führen, ohne dass das Gemisch in den Randbereichen ausdünnt und zu erhöhten Abgasemissionen führt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis von maximaler Eindringtiefe des Kraftstoffhohlkegels zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 oder von 0,2 bis 0,3. Hierdurch ist eine gleichmäßige und kontrollierte Führung der Kraf tstof fteilchen entlang des Hohlkegels gewährleistet. Dies führt dann gezielt zu einer stärkeren Vermischung des Kraftstoffes mit der
Verbrennungsluft. Weiterhin wird eine ausreichende Kontakt¬ oberfläche mit der Verbrennungsluft für die am äußeren Bereich des Hohlkegels verwirbelten Kraftstofftröpfchen in Abstimmung mit dem Bohrungsdurchmesser zur Verfügung gestellt .
Weitere Merkmale und Merkmalkombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden fremdgezündeten
Brennkraftmaschine und Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Brennraums des direkteinspritzenden fremdgezündeten
Brennkraftmaschine nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brenn¬ kraftmaschine 1 mit Direkteinspritzung, in dem ein Brennraum 4 zwischen einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 5 begrenzt ist. Die Brennkraftmaschine umfasst pro Brennraum 4 mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor 14 und eine Zündkerze 7. Im Zylinderkopf 5 sind Einlass- und Auslasskanäle vorgesehen, wobei in Fig. 1 nur ein Einlasskanal 13 abgebildet ist. Im Kolben 3 ist vorzugsweise eine Kolbenmulde 3a vorgesehen. Der Zylinder 2 weist eine Zylinderbohrung 2a mit einem Bohrungs¬ durchmesser D auf. Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraft¬ maschine 1 arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei erfindungsgemäß die Brennkraftmaschine ebenfalls als eine fremdgezündete Zweitaktbrennkraftmaschine mit Direktein¬ spritzung ausgebildet sein kann.
Im ersten Takt wird dem Brennraum 4 durch den Einlasskanal 13 Verbrennungsluft zugeführt, wobei der Kolben 3 sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt bewegt . Im weiteren Kompressionstakt bewegt sich der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt, wobei der Kraftstoff in einem Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine 1 während des Kompressionstakts eingespritzt wird. Im Bereich des oberen Totpunkts wird mittels der Zündkerze 7 ein gebildetes Kraftstoff/Luft- Gemisch gezündet, wobei der Kolben 3 in einer Abwärtsbewegung bis zum unteren Totpunkt expandiert. Im letzten Takt fährt der Kolben 3 in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum 4 aus.
Die Brennkraftmaschine 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungs¬ beispiel wird derart betrieben, dass im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich im Schichtladebetrieb und im oberen Lastbereich im Homogenbetrieb gefahren wird. Insbesondere wird beim Schichtladebetrieb ein so genanntes strahlgeführtes Brennverfahren durchgeführt. Die Einspritzung des Kraft¬ stoffes erfolgt im Schichtladebetrieb mit einem Kraftstoff¬ einspritzdruck von etwa 180 bar bis 220 bar zu einem Zeitpunkt, an dem ein Gegendruck im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen 8 bar und 20 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 16 bar beträgt. Das entspricht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einem Kurbelwinkel¬ bereich zwischen 40° und 10° vor dem oberen Totpunkt. Der hier angegebene Kurbelwinkelbereich kann je nach Bau- und Betriebsart der Brennkraftmaschine sowie je nach Lastpunkt der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Gegendruckbereich bzw. Zylinderdruckbereich in einem anderen Kurbelwinkelbereich liegen.
Bei einem solchen strahlgeführten Brennverfahren wird vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet, mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen 70° und 100°, vorzugsweise zwischen 80° und 90° erzeugt wird. Da der Kraftstoffhohlkegel 8 auf eine im Brennraum 4 komprimierte Verbrennungsluft trifft, bildet sich ein torusförmiger Randwirbel 10 im Brennraum 4 derart aus, dass im Bereich der Elektroden 12 der Zündkerze 7 ein zünd¬ fähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzielt wird. Die Anordnung der Zündkerze 7 erfolgt derart, dass die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in den erzielten Randwirbel 10 hineinragen, wobei die Funkenstrecke während der Kraftstoffeinspritzung außerhalb einer Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegeis 8 liegt. Dadurch werden die Elektroden 12 der Zündkerze 7 mit Kraftstoff kaum benetzt.
Um optimale Zündverhältnisse im Bereich des zum Zündzeitpunkt an den Elektroden 12 der Zündkerze 7 vorliegenden Randwirbels zu erzielen, ist es notwendig, einen nahezu gleichmäßigen Randwirbel 10 zu gestalten. Das heißt der ausgebildete Randwirbel 10 soll im gesamten Bereich eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung aufweisen, so dass im Bereich der Elektroden zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Kraftstoff/Luft- Gemisch vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, mittels einer erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration die Einspritzung des in den Brennraum 4 eingebrachten Kraftstoffhohlkegels 8 auf die Brennraumverhältnisse und insbesondere auf die Zylinder¬ bohrung 2a abzustimmen. Somit wird die Kraftstoffmenge im äußeren Bereich des Randwirbels 10 durch die Erfindung optimal verteilt und gleichzeitig intensiv mit der ver¬ dichteten Verbrennungsluft vermischt. Weiterhin wird mit Hilfe der vorgeschlagenen Brennraumkonfiguration einer
möglichen Entstehung von kraftstoffarmen Zonen im Elektroden¬ bereich entgegengewirkt, so dass ein Auftreten -von Zündaus¬ setzern vermieden wird.
Fig. 2 zeigt schematisch eine vergrößerte Brennraumansicht zur Veranschaulichung der Ausbildung des Randwirbels 10 im Brennraum 4 zu einem Zündzeitpunkt. Der aus der- Einspritzdüse 11 austretende Kraftstoffhohlkegel 8 trifft im Brennraum 4 auf komprimierte Verbrennungsluft. Um eine Kraftstoffstrahl- Struktur gemäß Fig. 2 abzubilden, wird der Einspritzvorgang mittels der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 11 bei der Einspritzung von Otto-Kraftstoff oder n-Heptan unter Motor¬ betriebsbedingungen innerhalb einer Druckkammer- aufgenommen, die mit gasförmigem Stickstoff unter Druck befüllt ist. Alternativ kann die Druckkammer mit Luft befüllt sein. Während der Kraftstoffeinspritzung entsteht gemäß Fig. 2 eine StrahlStruktur, bei der an der Mantelfläche des einge¬ spritzten Hohlkegels 8 ein Randwirbel 10 gebilcLet wird. Beleuchtet man den Einspritzstrahl bzw. den Horαlkegel 8 durch eine Lichtquelle im Durchlicht- oder Gegenlichtverfahren, so entsteht bei einem Einspritzdruck von etwa 180 bis 220 bar, insbesondere bei 200 bar und bei einem absoluten Druck in der Einspritzkammer von etwa vier bar bis acht bar, insbesondere bei sechs bar das in Fig. 2 dargestellte StrahLbild, wenn eine Aufnahme zu einem Zündzeitpunkt stattfindet. Diese Bedingungen entsprechen den im Betrieb der erfi_ndungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 vorliegenden Brennraumbedi-ngungen zum Einspritzzeitpunkt. Durch die Lichtquelle wird von dem eingespritzten Strahl mittels einer Kamera ein Gegenlichtbild erzeugt, das von der Kamera zu einem diskreten Zeitpunkt aufgenommen wird.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die Brennkraftmaschine 1 derart betrieben, dass im unteren und
mittleren Drehzahl - und Lastbereich im Schichtladebetrieb und im oberen Drehzahl - und Lastbereich im Homogenbetrieb gefahren wird . Die Erfindung eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit einem Hubraum zwischen zwei und sieben Litern, vorzugsweise zwischen drei und sechs Litern . Weiterhin werden Bohrungsdurchmesser D zwischen 85 cm und 100 cm bevorzugt . Dabei wird eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet , mit der ein Kraf tstof f hohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen 80° und 90 ° erzeugt wird . Im Schichtladebetrieb wird ein Randwirbel 10 mit einem mittleren Durchmesser dmR bei einem Kraftstoff einspritzdruck von etwa 180 bis 220 bar gebildet , wenn im Brennraum 4 der Gegendruck zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen IO bar und 16 bar beträgt . Gemäß der Erfindung lässt sich der mittlere Durchmesser dmR aus einem größten Durchmesser dRl und einem kleinsten Durchmesser dR2 einer Ellipse 10a ermitteHn . Sowohl beide Durchmesser als auch der Randwirbel 10 sind dx-irch die Ellipse 10a umrandet . Der mittlere Durchmesser dmR setzt sich zu j e aus einer Hälfte der beiden Ovaldurchmesser . ΣDer mittlere Durchmesser dmR ist gleich der Hälfte der Summe vom größten und dem kleinsten Durchmesser . Die Brennkraiftmaschine ist erfindungsgemäß derart ausgebildet , dass zum Züxidzeit- punkt ein Verhältnis dmR/D von mittlerem Wirbeldurclimesser dmR zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich zwisclαen 0 , 08 und 0 , 2 oder zwischen 0 , 01 und 0 , 12 liegt . Hierdurcti wird im Randwirbel 10 eine auf den Zylinderbohrungsdurchmes ser abgestimmte Kraftstoff Verteilung erzielt , die erf incϊungsgemäß eine ausreichende Menge an zündfähigem Gemisch im Bereich der Elektroden ermöglicht .
Zur weiteren Optimierung der Ausgestaltung des Rand""wirbels 10 im Hinblick auf eine zündaussetzerfreie Verbrennung weist der Randwirbel 10 ein Randwirbel Zentrum aR auf , das einem Abstand zwischen der Kraf tstof f austrittsöf fnung und einem S chnitt -
punkt vom größten dRl und dem kleinsten dR2 Durchmesser entspricht. Erfindungsgemäß liegt zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis dmR/aR von mittlerem Durchmesser dmR zu Rand¬ wirbelzentrum aR in einem Bereich zwischen 0,25 und 1,5, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,1 liegt. Somit ist eine zuverlässige Zündung zum Zündzeitpunkt gewährleistet.
Erfindungsgemäß weist der Kraftstoffhohlkegel 8 zum Zünd¬ zeitpunkt einen Toruswirbeldurchmesser dR auf, der einem Kreis innerhalb des torusförmigen bzw. ringförmigen Wirbels 10 entspricht. Dieser Kreis entspricht dem Verlauf der Rancl- wirbelzentren aR. Um eine optimale Zündung im Betrieb der Brennkraftmaschine zu erzielen, liegt ein Verhältnis dR/D von Toruswirbeldurchmesser dR zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,4 oder zwischen 0,25 und 0,35.
Um weiterhin die Bildung von zündfähigem KraftStoff/Luft- Gemisch im Bereich der Elektroden 12 zu gewährleisten, beträgt ein maximaler Durchmesser dS der KraftStoffwölke bzw. des KraftstoffStrahls zum Zündzeitpunkt das 0,35- bis 0,65- fache oder das 0,45- bis 0,55-fache des Bohrungsdurchmesserrs D. Der maximale Durchmesser dS schließt einen Ring ein, der? die äußersten Bereiche des Randwirbels 10 umfasst. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die im Kolbenboden eingelassene Mulde 3a einen Muldendurchmesser dm auf. Zur Erzielung einer günstigen Verbrennung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad beträgt zum Zündzeitpunkt der maximale Durchmesser dS der Kraft- stoffwolke bzw. des KraftstoffStrahls das 0,5- bis 1,5-factne oder das 0,8- bis 1,2-fache des Muldendurchmessers dm.
Eine weitere Optimierung der Zündung wird im Sinne der Erfindung durch eine der Brennraumkonfiguration entsprechend angepasste Eindringtiefe ES des Einspritzstrahls bzw. des
Kraftstoffhohlkegels 8 erzielt. Die Eindringtiefen ES entspricht einem vertikalen Abstand zwischen der Kraftstoff¬ austrittsöffnung und einer Horizontalen, die unmittelbar unterhalb des Kraftstoffhohlkegels 8 zum Zündzeitpunkt liegt. Die vorliegende Erfindung sieht eine derartige Kraftstoffein¬ spritzung vor, bei der zum Zündzeitpunkt ein Verhältnis ES/D von maximaler Eindringtiefe ES des Kraftstoffhohlkegels 8 zu Bohrungsdurchmesser D von 0,1 bis 0,5 oder von 0,2 bis 0,3 vorliegt. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesem Verhält- nisbereich eine zuverlässige Zündung ergibt. Mit der auf die Zylinderbohrung 2a abgestimmte Eindringtiefe ES wird der Kraftstoff derart im Randwirbel 10 verteilt, dass eine schnellere Vermischung mit der im Brennraum 4 vorhandenen Verbrennungsluft erzielt wird.
Durch die ausgeführten Verhältnisse wird eine bestmögl±che Verbrennung ermöglicht und eine ausgeprägte torusförmige Wirbelbildung erzielt. Dabei werden die Kraftstoffteileihen im Randbereich des Wirbels 10 derart konzentriert, dass s±ch mehr Tropfen im Randbereich aufhalten. Dadurch werden eine größere Kontaktfläche zur Verbrennungsluft und die Bildung eines Randwirbels 10 mit einer gleichmäßigen KraftstoffVer¬ teilung bewirkt.