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Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und einer im Zylinderkopf angeordneten Einspritzeinrichtung zur direkter Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem hin- und hergehenden Kolben pro Zylinder und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche mit mindestens zwei Einlassventilen, sowie mit im Brennraum eine Tumbleströmung erzeugenden und auf einer Seite der durch die Kurbelwellenachse und die Zylinderachse definierten Motorlängsebene angeordneten Einlasskanälen sowie einer im Bereich der Zylindermitte angeordneten Zündquelle.
Ständig steigende Anforderungen an eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduktion der Abgasemissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoffe und der Stickoxide, erfordern den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen und hier insbesondere im Bereich der im PKW überwiegend eingesetzten Ottomotoren mit Fremdzündung.
Ein wesentlicher Grund für den gegenüber z. B. Dieselmotoren höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine liegt in der Betriebsweise mit vorgemischtem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dies bedingt eine Regelung der Motorlast mit Hilfe eines Drosselorganes zur Begrenzung der insgesamt angesaugten Gemischmenge (Quantitätsregelung).
Diese Drosselung der Ansaugströmung führt zu einem thermodynamischen Verlust, der den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht. Das Potential zur Verbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine bei Umgehung dieser Drosselung kann auf etwa 25 % geschätzt werden.
Eine vollständige Nutzung des Potentials zur Verbrauchsreduktion wird durch direkte Kraftstoffeinspritzung und weitgehend ungedrosselten Betrieb des Motors möglich, wodurch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine ähnlich dem Dieselmotor mit Qualitätsregelung, d. h. einer Regelung der Motorlast durch Veränderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses betrie- ben werden kann.
Diese Betriebsweise erfordert jedoch gezielte Massnahmen zur Sicherstellung einer vollständigen und stabilen Verbrennung auch bei sehr hohem Luftüberschuss (niedrige torlast), bei welchem ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht mehr zündfähig ist.
Die allgemein bekannte Lösung dieser Anforderung besteht hier in der Realisierung einer stark geschichteten, also inhomogenen Gemischverteilung. die sich bei direkter Kraft-
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stoffeinspritzung durch Einspritzung des Kraftstoffes kurz vor der Zündung vorteilhaft erreichen lässt.
Eine derartige durch direkte Kraftstoffeinspritzung generierte Gemischschichtung muss durch die Hauptströmungsstrukturen im Zylinderraum der Brennkraftmaschine sowie durch die Geometrie des Brennraumes stabilisiert werden, um selbst in Anwesenheit der typischerweise sehr hohen Turbulenzgrade der Motorinnenströmung den Zeitraum zwischen dem Einspritzende und der Zündung überdauern zu können. Als Hauptströmungsformen kommen hier die Wirbelbewegungen Drall und Tumble in Betracht. Bei einer Drallströmung rotiert die Zylinderladung aufgrund der Einlasskanalgestaltung um die Zylinderachse, während bei einer Tumbleströmung eine Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse zu beobachten ist.
Ein einlassgenerierter Tumblewirbel zeigt eine Beschleunigung der Rotation durch die Verkleinerung der Querschnittsfläche während der Kompression. In der Endphase der Kompression ist bei genügend flachem Ventilwinkel (eines typischen Vierventil-Brennraums) ein starker Zerfall des Tumblewirbels in kleinere stochastisch verteilte Wirbel zu beobachten.
Eine Tumbleströmung lässt sich im Zylinderraum eines modernen mehrventiligen Ottomotors mit zwei oder drei Einlassventilen sinnvoll erzeugen ohne deutliche Verringerungen des Durchflusskoeffizienten der Einlasskanäle in Kauf nehmen zu müssen. Die Tumbleströmung stellt daher heute ein häufig angewandtes Strömungskonzept für Ottomotoren dar, bei welchen mit Hilfe erhöhter Ladungsbewegung die Verbrennungscharakteristiken verbessert werden sollen.
Für die der gestellten Aufgabe entsprechende Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum unter den genannten Strömungsbedingungen ist aus dem SAE-Paper 940188 das Prinzip eines Einspritzventils bekannt, welches einen kegelförmigen Einspritzstrahl mit hoher Zerstäubungsgüte des Kraftstoffes erzielt. Durch Änderung des Kraftstoffdruckes und des Brennraumgegendruckes kann der Kegelwinkel des Einspritzstrahls beeinflusst werden. Eine charakteristische Eigenschaft derartiger Einspritzdüsen ist die Verbesserung der Zerstäubungsgüte mit steigendem Einspritzdruck. Diese gewünschte Abhängigkeit führt jedoch zu steigenden Geschwindigkeiten des Einspritzstrahls von bis zu 100 m/s und somit zu einem hohen Impuls des in den Brennraum eintretenden Kraftstoff-Sprays.
Demgegenüber weist die Luftströmung im Brennraum, selbst bei starker einlassgenerierter Drall- oder Tumblebewegung mit maximal ca. 30-40 m/s, einen deutlich geringeren Impuls auf, weshalb der Einspritzstrahl in einer ersten Phase des Eintritts in den Brennraum nur unwesentlich von der Brennraumströmung beeinflusst wird.
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Es stellt sich unter diesen Voraussetzungen die allgemeine Aufgabe, aus dem Einspritzstrahl eine örtlich begrenzte Gemischwolke in der Nähe der Zündquelle zu erzeugen, und das Gemisch innerhalb der Wolke weiter mit Brennraumluft zu vermischen. Dabei sind folgende Punkte wesentlich : Die Gemischwolke muss insbesondere bei niedrigen Motorlasten deutlich abgegrenzt blei- ben und sich aus thermodynamischen Gründen sowie zur Reduzierung der Emissionen un- verbrannter Kohlenwasserstoffe möglichst in der Mitte des Brennraumes befinden.
* Die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes und seine Vermischung mit der Brenn- rawnluft auf ein vorzugsweise stöchiometrisches Luftverhältnis muss in der vergleichs- weise kurzen Zeitspanne zwischen Einspritzzeitpunkt und Zündzeitpunkt erfolgen.
Bei der Gestaltung eines geeigneten Brennverfahrens für einen direkteinspritzenden Ottomotor sind neben den Charakteristiken der Einspritzstrahlausbreitung auch die zur Verfügung stehenden Brennraumabmessungen zu berücksichtigen. Für PKW-Ottomotoren typische Hubräume des Einzelzylinders führen zu Bohrungsdurchmessem von ca. 60 bis 100 mm, wobei sich der Kolbenhub in der gleichen Grössenordnung bewegt.
In Anbetracht der genannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Einspritzstrahls muss daher ein Auftreffen zumindest eines Teils des Kraftstoff-Sprays auf der Kolbenoberfläche erwartet werden. Die Gestaltung der Brennrauminnenströmung sollte daher diesen Vorgang der Wandbenetzung berücksichtigen.
Zur Formung der Gemischwolke und zur Aufbereitung des Kraftstoff-Sprays können folgende Effekte genutzt werden : . Erzeugung eines Kegelstrahls mit variablem, vom Brennraumgegendruck abhängigen Ke- gelwinkel.
'Hoher Einspritzdruck zur Verbesserung der Zerstäubung und damit zur Beschleunigung der direkten Verdampfung des Kraftstoff-Sprays vor der Wandberührung.
Erzeugung eines erhöhten Turbulenzniveaus im Bereich des Einspritzstrahls durch die B rennrauminnenströmung.
. Beschleunigung der Wandfilmverdampfung durch Erzeugung einer hohen Strömunsge- schwindigkeit am benetzten Bereich der Kolbenoberfläche.
Aus der EP 0 558 072 Al ist eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher durch die Form und Anordnung der Einlasska- näle eine umgekehrte Tumble-Bewegung der Brennraumströmung erzeugt wird, die durch eine schanzenartige Ausformung der Kolbenoberfläche verstärkt wird. Diese Kolbenoberflä-
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che dient gleichzeitig der Umlenkung des Einspritzstrahls zur Zündkerze, die in Zylindermitte angeordnet ist. Einspritzstrahl und Brennraumströmung streichen so in gleicher Richtung über die Kolbenoberfläche. Der Einspritzstrahl bzw. die daraus nach der Umlenkung am Kolben entstehende Gemischwolke kann sich jedoch nach dem Auftreffen auf die Zylinderkopfwand nahe der Zündkerze in alle Richtungen nahezu ungehindert ausbreiten.
Ein Bemühen um eine möglichst starke Konzentration der Gemischwolke nach der Umlenkung am Kolben ist daher nicht erkennbar. Ferner erzeugt die auf der Kolbenoberfläche ausgebildete Schanze unter den Auslassventilen eine Quetschfläche. Diese erzeugt zwar während der Kompression des Motors kurz vor dem oberen Totpunkt eine gewünschte zusätzliche Strömungsbewegung. Diese kehrt sich jedoch nach Durchlaufen des oberen Totpunktes um, was zu einem Auseinanderreissen der während der Kompression aufgebauten Gemischkonzentration führt.
Aus der EP 0 639 703 Al ist eine weitere Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung bekannt, bei welcher durch die Ausformung der Einlasskanäle eine Drallströmung im Zylinderraum erzeugt wird. Die Kolbenoberfläche weist hier eine ausgeprägte Mulde mit umgebender Quetschfläche auf, wobei die Mulde derart exzentrisch angeordnet ist, dass die zentral im Brennraum befindliche Zündkerze und das radial angeordnete Einspritzventil sich jeweils am Muldenrand befinden. Der Kraftstoff wird gezielt gegen den zu diesem Zweck speziell ausgeformten Muldenrand gespritzt. Die Kolbenoberfläche hat hier also die Aufgabe, den Kaftstoffstrahl in erster Linie zu zerstäuben.
Der Drallströmung kommt die Aufgabe zu, den zerstäubt von der Muldenkante abprallenden Kraftstoff zur Zündkerze zu transportieren.
Bei diesen bekannten Brennkraftmaschinen ist die Einspritzeinrichtung relativ weit von der Zündquelle entfernt angeordnet, was sich nachteilig auf die Zündsicherheit und die Verbrennungsstabilität auswirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Brennverfahren unter den dargestellten Randbedingungen mit einer einlassgenerierten Tumlbeströmung im Zylinderraum zu realisieren, wobei eine grosse Zündsicherheit und Verbrennungsstabilität erreicht werden soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass der Kolben an seiner brennraumseitigen Kolbenoberfläche eine Strömungsleitrippenanordnung aufweist, die-im Grundriss gesehen-im wesentlichen in Form eines Buchstabens U"gestaltet ist, welcher sich zur Auslassseite des Brennraumes öffnet, wobei die Kolbenoberfläche zwischen der Leitrippe und
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der Kolbenaussenkante kontinuierlich konkav gekrümmt ist, und die Einspritzung des Kraftstoffe in einen konkaven Bereich innerhalb des U"erfolgt, und wobei die Mündung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Bereich der Motorlängsebene angeordnet ist.
Die Ausformung der Kolbenoberfläche hat besondere Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Tumbleströmung und die Ausbildung der Gemischwolke. Durch die erfindunggemässe Kolbenoberflächenform wird die Ausbildung der Tumblegrundströmung während der Ansaugphase unterstützt und die Gemischströmung geführt, um eine weitestmögliche Begrenzung der zyklischen Schwankung der Gemischverteilung zu erreichen. Durch die Anordnung der Einspritzeinrichtung nahe der Zündquelle wird eine hohe Zündsicherheit und Verbrennungsstabilität erreicht. Zündquelle und Einspritzeinrichtung liegen dabei möglichst zentral im Brennraum, wodurch sich thennodynamische Vorteile ergeben. Die Anordnung der Einspritzeinrichtung dicht neben der Zündquelle hat zwar eine geringfügige Verkleinerung der Ventildurchmesser zur Folge, wodurch zunächst leichte Leistungseinbussen zu erwarten sind.
Diese werden allerdings dadurch kompensiert, dass die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinderraum zu einer Abkühlung des Gemisches aufgrund der Kraftstoffverdampfung führt, was eine Dichteerhöhung und eine Verbesserung der Füllung bewirkt. Eine sorgfältig Optimierung der konstruktiven Auslegung des Zylinderkopfes führt zu Reduktionen der Ventildurchmesser von ca. 7 bis 8 %.
Zur Unterstützung der während der Kompressionsphase auftretenden Tumbleströmung kann vorgesehen sein, dass die Kolbenoberfläche teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer von der Kolbenaussenkante aufgespannten Bezugsebene liegt.
Um eine Strömungsablösung der quer zur Leitrippe erfolgenden Luftströmung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Leitrippe eine gerundete Oberkante aufweist, deren Rundung direkt in die sich anschliessende konkave Kolbenoberfläche übergeht, wobei vorzugsweise der Radius der Rundung der Leitrippe zwischen l mm und 3mm beträgt, und vorzugsweise den kleinsten Wert im Bereich einer Zylindermittelebene normal zur Kurbelwellenachse annimmt. Es hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse erreicht werden können, wenn der normal zur Motorlängsebene gemessene grösste Abstand der Leitrippe von der Motorlängsebene minimal etwa 0. 1 mal dem Kolbendurchmesser und maximal etwa 0. 4 mal dem Kolbendurchmesser beträgt.
Zur Erzielung eines optimalen Lenkungseffektes für die Strömung ist es weiters vorteilhaft, wenn die Leitrippe zumindest teilweise die grösste mögliche Höhe aufweist, die durch die Kontur der Brennraumdeckfläche bei Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt
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und den nötigen Freigang der Ventile begrenzt wird, wobei sich der Bereich der grössten
Höhe vorzugsweise im Bereich der Zylindermittelebene normal zur Kurbelwellenachse be- findet.
Zur Ausbildung einer optimalen Strömungsform ist vorgesehen, dass die Mündung der Einspritzeinrichtung auf der Ausslassseite angeordnet ist, wobei der radiale Abstand von der Zylinderachse höchstens etwa 0. 2 mal dem Kolbendurchmesser beträgt.
Die Symmetrieachse des von der Einspritzeinrichtung erzeugten Einspritzstrahles schliesst dabei mit der Zylinderachse einen Winkel von maximal 30 ein und ist in Zylinder- achsnchtung gesehen, in den Bereich der Zylindermitte gerichtet. Weiters kann vorgesehen sein, dass der von der Einspritzeinrichtung erzeugte kegelförmige Einspritzstrahl einen Ke- gelwinkel von mindestens etwa 60 und maximal etwa 120 , vorzugsweise etwa 90 aufweist.
Vorzugsweise ist weiters vorgesehen, dass die Zündquelle auf der Einlassseite ange- ordnet ist, wobei der radiale Abstand von der Motorlängsebene höchstens 0. 2 mal dem Kol- bendurchmesser beträgt, wobei die Symmetrieachsen der Zündquelle und des von der Ein- spritzeinrichtung erzeugten Einspritzstrahles einen Winkel von mindestens etwa 60 und höchstens etwa 1200 einschliessen.
Durch die U-Forrn der Leitrippe wird die Gemischströmung in Richtung der Zünd- quelle geführt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Leitrippe - in Richtung der Zylinderachse gesehen-im Bereich der Zylindermittelebene einen Krümmungsradius zwischen etwa 0, 2 und 0, 6 mal dem Kolbendurchmesser aufweist. Die Leitrippe ist vorteilhafterweise zumin- dest übewiegend auf der Einlassseite angeordnet.
Zur Erzielung einer guten Strömungsführung der Gemischwolke erstreckt sich die
Leitrippe vorzugsweise etwa bis in den Bereich der Motorlängsebene.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Leitrippe symmetrisch zur Zylindermittelebe- ne angeordnet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine in einer erfindungsge- mässen Ausführung gemäss der Linie 1-1 in Fig. 2, Fig. 2 diese Brennkraftmaschine während der Kraftstoffeinspritzung (, in einer Ansicht in Richtung der Zylinderachse, Fig. 3 eine zweite
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des Zylinderkopfs 4 und die Kolbenoberfläche 5 des Kolbens 2 wird ein Brennraum 6 gebildet, in welchen beispielsweise zwei in Fig. 1 strichliert eingezeichnete Einlasskanäle 7 und zwei Ausslasskanäle 8 einmünden. Mit 9 bzw. 10 sind schrägliegende Einlassventile bzw. Auslassventile durch strichlierte Linien angedeutet. Bezugszeichen 11 bezeichnet eine zwi-
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bringung von Kraftstoff in den Brennraum 6 angeordnet.
An der Kolbenoberfläche 5 weist der Kolben 2 eine durch eine U-förmige Leitrippe 12 gebildete Leitrippenanordnung auf, welche die in den Fig. 1 und 2 mit den Pfeilen 13 angedeutet, als Tumble ausgebildete Zylinderinnenströmung beeinflusst, um einen optimalen Verbrennungsablauf zu erreichen.
Die- im Grundriss gesehen-U-formige Leitrippe 12 ist im wesentlichen unterhalb der Einlassventile 9 der Brennkraftmaschine auf der Kolbenoberfläche 5 angeordnet. Die Leitrippe 12 weist in der die Zylinderachse la einschliessenden Zylindermittelebene 16 normal auf die Kurbelwellenachse 15 den grössten Abstand von der Zylinderachse la auf und verläuft auf beiden Seiten dieser Zylindermittelebene 16 gekrümmt zur Auslassseite des Brennraumes 6. Die Höhe H über einer von der Kolbenaussenkante 2a aufgespannten Bezugsebene 2b nimmt im Bereich der Zylindermittelebene 16 vorzugsweise den maximal möglichen Wert an, welcher durch die Kontur der Brennraumdeckfläche 3 bei Stellung des Kolbens 2 im oberen Totpunkt und den nötigen Freigang der Ventile 9,10 begrenzt wird.
Die Kolbenoberfläche 5 verläuft auf beiden Seiten der Leitrippenoberkante 12a kontinuierlich und konkav gekrümmt zur Kolbenaussenkante 2a, wobei die Oberfläche 5a insbesondere innerhalb des U"auch unterhalb der von der Kolbenaussenkante 2a aufgespannten Bezugsebene 2b liegen kann.
Die Einspritzeinrichtung 19 ist vorzugsweise nahe der Zylinderachse la leicht zur Auslassseite versetzt und zur Auslassseite geneigt angeordnet, während die Zündquelle 11 zur Einlassseite hin versetzt und geneigt angeordnet wird, sodass sich zwischen den Symmetrieachsen 11 a bzw. 19a der Einspritzeinrichtung 19 und Zündquelle 11 in etwa ein rechter Winkel t etwa 300 ergibt. Die Position des Zündfunkens befindet sich damit nahe der Leitrippe 12. Der Einspritzstrahl 19b dringt entsprechend der Düsenneigung leicht zur Einlassseite geneigt in den Brennraum 6 ein und trifft im Innenbereich der U-fornigen Leitrippe 12 auf die Kolbenoberfläche 5a.
Die während der Kompression beschleunigte Tumbleströmung 13 liefert eine hohe Querströmungsgessshwiodigkeit nahe der Kolbenoberflä-
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che 5a im Auftreffbereich des Strahles 19b, was die Verdampfung des Wandfilms verbessert und dessen Transport entlang der Kolbenoberfläche 5a zur Zündquelle 11 begünstigt.
Die Leitrippenoberkante 12a weist vorzugsweise einen genügend kleinen Rundungsradius r auf, um eine Strömungsablösung der die Gemischwolke 18 transportierenden Tumbleströmung 13 zu gewährleisten, was zu einer Aufrichtung der Strömungsrichtung im mittleren Bereich des Zylinders 1 führt. In Richtung der Zylinderachse la weist die Leitrippe 12 im Bereich der Zylindermittelebene 16 einen Krümmungsradius R zwischen etwa 0, 2 und 0, 6 mal dem Kolbendurchmesser D auf. Auf der Einlassseite bildet sich durch die Annäherung des Kolbens 2 an die Brennraumdeckfläche 3 im oberen Totpunkt eine Quetschströmung 14 aus, die das Zusammenhalten der Gemischwolke 18 begünstigt.
Die Symmetrieachse 19a des Einspritzstrahles 19 schliesst mit der Motorlängsebene 17 einen Winkel a von maximal 300 ein. Die Symmetrieachse 19a ist dabei in den Bereich der Zylindermitte gerichtet.
Die Mündung 19'der Einspritzeinrichtung weist einen Abstand 19c von der Zylinderachse 1 a auf, der maximal 0, 2 mal dem Kolbendurchmesser D beträgt.
Die Zündquelle 11 ist auf der Einlassseite in einem Abstand von 12b von der Motorlängsebene 17 angeordnet, der höchstens 0, 2 mal dem Kolbendurchmesser D beträgt. Die Symmetrieachse 1 la der Zündquelle 11 und die Symmetrieachse 19a der Einspritzeinrichtung 19 sind in einem Winkel y zwischen 600 und 1200 zueinander angeordnet. Der Kegelwinkel ss des Einspritzstrahles 19b der Einspritzeinrichtung 19 beträgt annähernd 90 . Aus Fig. 1 ist deutlich zu erkennen, dass die Gemischwolke 18 durch die Strömungen 13 und 14 zur Zündquelle 11 gelenkt wird.
Die erfindungsgemässe Kolbenform kann auch bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Einlassventilen 9 angewendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Zündquelle 11 asymmetrisch in einem Abstand l lb von der Zylindermittelebene 16 entfernt angeordnet, um den vorhandenen Platz bei möglichst geringer Verminderung der Ventildurchmesser optimal auszunützen.