Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden Einspritzdüsen verwendet, die durch die Bildung einer bestimmten Kraftstoffstrahlform eine verbesserte Verbrennung mit niedriger Emissionsbildung gewährleisten sollen. Insbesondere bei einem strahlgeführten Brennverfahren werden nach außen öffnende Einspritzdüsen zur Gestaltung einer optimierten Kraftstoffeinspritzung eingesetzt.

Aus der DE 199 11 023 C2 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Kraftstoff durch eine nach außen öffnende Einspritz¬ düse in den Brennraum in Form eines Hohlkegels eingebracht wird. In einem Schichtladebetrieb trifft der Kraftstoff dabei auf komprimierte Verbrennungsluft im Brennraum, so dass sich hierdurch ein Randwirbel im Brennraum bildet. Somit wird ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch in die Nähe einer Zündkerze transportiert. Die Anordnung der Zündkerze erfolgt derart, dass die Elektroden der Zündkerze in den erzielten Randwirbel hineinragen, wobei sie während der Kraftstoff-

einspritzung außerhalb einer Mantelfläche des Kraftstoff¬ hohlkegels liegen.

Die Anordnung der Einspritzdüse im Brennraum und die Positionierung einer für die Zündung eines gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches vorgesehenen Zündkerze sind dabei maßgeblich für die Verbrennungseigenschaften der Brennkraft¬ maschine und deren Wirkungsgrad. Zur Erzielung einer zuverlässigen Zündung ist die Gestaltung der Brennraum¬ konfiguration entscheidend, um während des Betriebs ein Auftreten von Zündaussetzern zu vermeiden'. Letztere sind häufig darauf zurückzuführen, dass bei der Fertigung der Einspritzdüsen trotz Einhaltung der zugelassenen Toleranzen oftmals Kraftstoffstrahlbilder mit geringfügigen Abweichungen von einer idealen StrahlStruktur 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 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich nach einem ersten Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass ein erstes Verhältnis von erstem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 vorgesehen ist. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Konzept zur Verfügung gestellt, mit dem die Bildung von zündfähigem Gemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerze insbesondere im Hinblick auf ein strahlgeführtes Brennverfahren optimiert wird. Die hierdurch überraschend erzielten Effekte werden auf die günstige Abstimmung zwischen einem im Brennraum gebildeten Randwirbel in Relation zum

Bohrungsdurchmesser zurückgeführt . Mit dem vorgeschlagenen ersten Verhältnis wird eine bemerkenswerte, auf eine Ladungsbewegung und Bohrungsdurchmesser abgestimmte und schnelle Kraftstoffausbreitung innerhalb des gebildeten Wirbels hervorgerufen. Somit wird der Kraftstoff in den Außenbereichen des Randwirbels rasch mit der Verbrennungsluft vermischt .

Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass ein zweites Verhältnis von zweitem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,16 und 0,24, vorzugsweise zwischen 0,18 und 0,22 vorgesehen ist. Im vorgeschlagenen Bereich bilden sich erfindungsgemäß auf den Bohrungsdurchmesser abgestimmte Strömungsverhältnisse aus, die im Randwirbelbereich eine schnelle und ausreichende Vermischung der Kraftstofftröpfchen mit der Verbrennungsluft ermöglichen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Zündkerze und der Kraftstoffinjektor so positioniert, dass sich zwischen einer Injektorachse und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein dritter Abstand ergibt, wobei ein drittes Verhältnis von drittem Abstand zu Bohrungs¬ durchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 vorgesehen ist. Mit dem vorgeschlagenen dritten Verhältnis kommt ein auf die Zylinderbohrung angepasster Abstand zwischen der Zündkerze und einer Kraftstoffaustrittsöffnung im Brennraum zustande, so dass zur Gewährleistung einer zuverlässigen Zündung eine günstige Kraftstoffverteilung im Brennraum erzielt wird. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze so positioniert, dass sich zwischen der Auslassventilachse und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein

vierter Abstand ergibt, wobei ein viertes Verhältnis von viertem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1 vorgesehen ist. Hierdurch wird eine bei einem Ladungswechsel erzeugte Ladungsbewegung auf die in den Brennraum einspritzte Kraftstoffmenge angepasst, so dass der Kraftstoff innerhalb des gebildeten Kraftstoffhohlkegels gleichmäßig verteilt wird. Somit stehen zum Zündzeitpunkt zündfähige Gemischanteile im Bereich der Elektroden der Zündkerze zur Verfügung.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zündkerze derart positioniert, dass sich zwischen der Einlassventilachse und dem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode ein fünfter Abstand ergibt, wobei ein fünftes Verhältnis von fünftem Abstand zu Bohrungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,35 liegt. Hierdurch ist eine auf die vorliegende Brennraum¬ konfiguration abgestimmte und kontrollierte Führung der Kraftstoffteilchen entlang des Hohlkegels in Richtung der Zündkerze gewährleistet. Weiterhin wird eine ausreichende Kontaktoberfläche mit der Verbrennungsluft für die am äußeren Bereich des Hohlkegels verwirbelten Kraftstofftröpfchen in Abhängigkeit vom 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 schematische Schnittdarstellung eines Zylinders einer direkteinspritzenden fremdgezündeten

Brennkraftmaschine und

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines schematischen Brennraums der Brennkraftmaschine nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine 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 6 und eine Zündkerze 7, wobei der Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 benachbart zueinander im mittleren Bereich eines Brennraumdachs 19 vorgesehen sind. Die Anzahl der Einlass- und Auslassventile kann im Sinne der Erfindung variabel ausgewählt werden. Die Erfindung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen mit je zwei Einlass- und Auslassventilen. Im Zylinderkopf 5 sind Einlass¬ und Auslasskanäle 13, 14 vorgesehen, wobei im Kolben 3 vorzugsweise eine Kolbenmulde 3a vorgesehen ist. Weiterhin weist der Zylinder 2 eine Zylinderbohrung 2a mit einem Bohrungsdurchmesser D auf.

Um optimale Zündverhältnisse im Bereich des zum Zündzeitpunkt an den Elektroden 12 der Zündkerze 7 vorliegenden Randwirbels 10 zu erzielen, ist es notwendig, die Brennraumkonfiguration dem strahlgeführten Brennverfahren anzupassen. Daher zielt die Erfindung darauf ab, dass mittels einer entsprechenden Brennraumkonfiguration zündfähige Bereiche des ausgebildeten Randwirbels 10 zu einem Zündzeitpunkt von einem an der Zündkerze 7 gebildeten Zündfunken erfasst werden.

Erfindungsgemäß ist die Anordnung der Zündkerze 7 und des Kraftstoffinjektors 6 mit Bezug auf die Brennraumverhältnisse und insbesondere auf die Zylinderbohrung 2a zu gestalten. Der

Kraftstoffinjektor 6 ist gemäß Fig. 2 im mittleren Bereich des Brennraumdachs 19 positioniert und weist eine nach außen öffnende Einspritzdüse auf, wobei eine Kraftstoffaustritts¬ öffnung 11 der Einspritzdüse in den Brennraum 4 einragt. Die Zündkerze 7 ist ebenfalls im Brennraumdach auslassseitig zwischen dem Auslasskanal 16 und dem Kraftstoffinjektor 6 angeordnet, wobei sie im Sinne der Erfindung ebenfalls einlassseitig angeordnet sein kann.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, die Anordnung des Kraftstoffinjektors 6 abgestimmt auf die Positionen der Einlass- 15 und Auslasskanäle 16 relativ zur Zylinderbohrung 2a auszuwählen. Somit wird mit Hilfe der vorgeschlagenen Brennraumkonfiguration zur Minimierung des Auftretens von Zündaussetzern eine mögliche Entstehung von kraftstoffarmen Zonen im Elektrodenbereich zu einem Zündzeitpunkt vermieden. Der Brennraum 4 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist derart ausgebildet, dass ein erstes Verhältnis E/D von erstem Abstand E zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,15 bis 0,22, insbesondere von 0,17 bis 0,19 liegt. Dabei entspricht der erste Abstand E einer kürzesten Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils. Durch den vorgeschlagenen ersten Abstand E wird die Kraftstoffmenge im äußeren Bereich des Randwirbels 10 intensiv mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischt. Somit wird der Transport von zündfähigem Gemisch in die Nähe eines Zündfunkens an der Zündkerze 7 begünstigt.

Um die Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich der Elektroden 12 zu gewährleisten, sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Brennraumkonfiguration vor, bei der ein zweites Verhältnis A/D von zweitem Abstand A zu Bohrungsdurchmesser D in einem

Bereich von 0,16 bis 0,24, insbesondere von 0,18 bis 0,22 liegt. Dabei entspricht der zweite Abstand A einer kürzesten Distanz zwischen der Kraftstoffaustrittsöffnung 11 und einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.

Der Kraftstoffinjektor 6 und die Zündkerze 7 sind im Brennraum derart angeordnet, dass ein drittes Verhältnis C/D von drittem Abstand C zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,1 bis 0,19, insbesondere von 0,13 bis 0,17 liegt. Der dritte Abstand C entspricht einer kürzesten Distanz zwischen einer Kraftstoffinjektorachse 18 und einem freien Endabschnitt der Zündkerzenmittelelektrode 20. Die Zündkerze 7 kann zwischen dem Einlasskanal 13 und dem Kraftstoffinjektor 6 oder zwischen dem Auslasskanal und dem Kraftstoffinjektor 6 unter Einhaltung des dritten Verhältnisses C/D angeordnet sein. Durch die vorgesehenen Verhältnisse kommt eine auf die Zylinderbohrung angepasste Zündkerze-Kraftstoffinjektor-Anordnung zustande, mit der die Bildung von zündfähigem Gemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerze gewährleistet ist. Hierdurch wird das Auftreten von Zündaussetzern vermieden. Mit dem dritten Verhältnis C/D wird eine günstige Abstimmung zwischen der Kraftstoff¬ verteilung im Bereich der Zündkerze 7 in Relation zum Bohrungsdurchmesser D erzielt.

Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls vor, die Anordnung der Zündkerze 7 abgestimmt auf die Positionen der Einlass¬ und Auslasskanäle relativ zur Zylinderbohrung 2a zu wählen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt ein viertes Verhältnis B/D von viertem Abstand B zu Bohrungs¬ durchmesser D in einem Bereich von 0,02 bis 0,13, insbesondere von 0,04 bis 0,1. Dabei entspricht der vierte Abstand B einer kürzesten Distanz zwischen einem freien

Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und einer Mittelachse 16 des nicht dargestellten Auslassventils.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass ein fünftes Verhältnis F/D von fünftem Abstand F zu Bohrungsdurchmesser D in einem Bereich von 0,25 bis 0,4, insbesondere von 0,3 bis 0,35 liegt. Dabei entspricht der fünfte Abstand F einer kürzesten Distanz zwischen einem freien Endabschnitt der Mittelelektrode der Zündkerze 7 und einer Mittelachse 15 des nicht dargestellten Einlassventils. Durch das vorgesehene Verhältnis wird der Transport der zündfähigen Gemischanteile im äußeren Bereich des Randwirbels 10 in Richtung der Zündkerze 7 in Abstimmung auf eine im Brennraum 4 gebildete Ladungsbewegung gefördert .

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 arbeitet nach dem Viertaktprinzip, wobei erfindungsgemäß die Brennkraft¬ maschine ebenfalls als eine fremdgezündete Zweitaktbrenn- kraftmaschine mit Direkteinspritzung 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 nachfolgenden 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 wird erfindungsgemäß derart betrieben, dass im unteren und mittleren Drehzahl- und Lastbereich im Schichtladebetrieb und im oberen 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 zwischen 85 mm und 100 mm bevorzugt.

Insbesondere liegt beim Schichtladebetrieb ein strahl- geführtes Brennverfahren vor. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mit einem Kraftstoffeinspritzdruck von etwa 60 bis 500 bar. Insbesondere im Schichtladebetrieb findet die Kraftstoffeinspritzung mit einem Kraftstoffein¬ spritzdruck von etwa 180 bis 220 bar, vorzugsweise 195 bis 205 bar an einem Zeitpunkt statt, an dem ein Gegendruck im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zwischen acht und zwanzig bar, vorzugsweise zwischen zehn und sechzehn bar beträgt. Das entspricht beim vorliegenden Ausführungs¬ beispiel einem Kurbelwinkelbereich zwischen 50° und 10° vor einem oberen Zünd-Totpunkt . Der hier angegebene Kurbelwinkel- bereich dient nur als Beispiel, denn je nach Bau- und Betriebsart der Brennkraftmaschine sowie je nach Lastpunkt kann der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Gegendruckbereich bzw. Zylinderdruckbereich in einem anderen Kurbelwinkel¬ bereich liegen. Beispielsweise liegt der vorgeschlagene Brennraumgegendruck bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen durchaus in einem früheren Kurbelwinkelbereich als bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen.

Bei dem gemäß der Erfindung vorgeschlagenen strahlgeführten Brennverfahren wird vorzugsweise eine nach außen öffnende Einspritzdüse 11 verwendet, mit der ein Kraftstoffhohlkegel 8 mit einem Winkel α zwischen 75° und 100°, vorzugsweise

zwischen 85° und 95° oder 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 zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch erzielt wird. Die Anordnung der Zündkerze 7 ist so gewählt, dass die Elektroden 12 der Zündkerze 7 in den erzielten Randwirbel 10 hineinragen, wobei sie während der Kraftstoffeinspritzung außerhalb einer Mantelfläche 9 des Kraftstoffkegeis 8 liegen. Dadurch werden die Elektroden 12 der Zündkerze 7 mit Kraftstoff kaum benetzt. Durch die ausgeführten Verhältnisse wird insbesondere im Schichtladebetrieb eine optimale Verbrennung ermöglicht und eine zuverlässige Zündung in allen Lastpunkten der Brennkraftmaschine 1 erzielt.