Bei Otto-Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung wird zwischen wandge- führten und strahigeführten Brennverfahren unterschieden. Bei wandgeführten Brennverfahren wird der Einspritzstrahl mehr oder weniger direkt auf die Brenn- raumwand gerichtet. Dadurch steht eine erhöhte Aufbereitungszeit für die Ge- mischbildung zur Verfügung. Durch die relativ großen Freiheiten in der Anord- nung der Einspritzeinrichtung-meistens nahe der Zylinderwand-können die Gaswechselventile hinsichtlich Lage und Anordnung optimal ausgelegt werden.

Da Einspritzstrahl und Zündeinrichtung relativ weit entfernt voneinander ange- ordnet sind, kommt es zu keiner direkten Zündkerzenbenetzung. Das System ist gegenüber Veränderungen in der Form des Einspritzstrahles nur wenig empfind- lich. Nachteilig ist allerdings, dass wandgeführte Brennverfahren begrenzte Schichtungsfähigkeit aufweisen. Bei wandgeführten Brennverfahren ergibt sich eine gezielte Kolbenwandbenetzung. In Folge des längeren Gemischtransport- weges wirken sich die Grundströmung und die Fluktuationen stärker auf die Ge- mischschichtung und somit auf die Verbrennung aus.

Bei strahlgeführten Brennverfahren dagegen wird der Einspritzstrahl nicht auf die Brennraumwand oder den Kolbenboden gerichtet, sondern es wird eine weitge- hende Zerstäubung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung ange- strebt. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brenn- verfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungsfähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoffverbrauch niederschlägt.

Zudem kann eine hohe Schichtungsstabilität erreicht werden. Nachteilig ist, dass es oftmals zu einer Benetzung der Zündeinrichtung kommt. Dies kann sich un- günstig auf die Verbrennungsstabilität auswirken. Das Brennverfahren weist dar- über hinaus eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Qualität und Form des Ein- spritzstrahles auf. Befindet sich die Funkenstrecke außerhalb des Gemischgebie- tes, so führt die fehlende Gemischentzündung zu Motorfehlfunktionen. Eine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators hingegen führt zu Zündaussetzern und zu einem Ablagerungsbild am Isolator. Nur wenn die Funkenstrecke inner- halb des Gemischgebietes liegt, aber keine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators stattfindet, kann eine optimale Motorfunktion erreicht werden. In Folge hoher Toleranzempfindlichkeit ist die Reproduzierbarkeit der Bedingungen für eine optimale Motorfunktion problematisch.

Bei strahlgeführten Brennverfahren wird im Gegensatz zu wandgeführten Brenn- verfahren eine weitgehende Zerstäubung und Verdampfung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung angestrebt, bevor dieser auf die Brennraumwand oder den Kolbenboden auftrifft. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brennverfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungs- fähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoff- verbrauch auswirkt. Nachteilig ist, dass es oftmals zu einer Benetzung der Zünd- einrichtung kommt. Dies kann sich ungünstig auf die Verbrennungsstabilität aus- wirken. Das Brennverfahren weist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit ge- genüber der Qualität und Form des Einspritzstrahles auf. Befindet sich die Funk- enstrecke außerhalb des Gemischgebietes, so führt die fehlende Gemischentzün- dung zu Motorfehifunktionen. Eine volle Benetzung der Elektroden und des Isola- tors hingegen führt zu Erosionen und Ablagerungen an der Zündeinrichtung und in der Folge zu Zündaussetzern. Nur wenn die Funkenstrecke innerhalb des Ge- mischgebietes liegt, aber keine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators stattfindet, kann eine optimale Motorfunktion erreicht werden. In Folge hoher To- leranzempfindlichkeit ist die Reproduzierbarkeit der Bedingungen für eine opti- male Motorfunktion problematisch.

Bei bekannten strahigeführten Brennverfahren ist üblicherweise die Einspritzein- richtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet, wie beispielsweise in der DE 195 46 945 AI geoffenbart. Die Zündkerze dagegen wird-je nach kon- struktiven Gegebenheiten-seitlich versetzt dazu in der Brennraumdecke positi- oniert. Aus der DE 101 39 418 AI ist eine Otto-Brennkraftmaschine mit strahl- geführtem Brennverfahren bekannt, bei welcher die Zündeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse und die Einspritzeinrichtung seitlich versetzt in unmit- telbarer Nähe des Zündortes angeordnet ist.

Unabhängig davon ob die Zündeinrichtung oder die Einspritzeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet ist, kommt es durch den relativen Platzbedarf beider Einrichtungen und die von der Zündeinrichtung in den Brenn- raum ragenden Teile zu Asymmetrien im Brennraum, welche die Ladungsschich- tung und daher auch die Verbrennung vor allem hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffbildung nachteilig beeinflussen.

In diesem Zusammenhang wurde am 24 Internationalen Wiener Motorensympo- sium vom 15. bis 16. Mai 2003 unter dem Titel"Laserinduzierte Zündung an ei- nem Otto-DI-Brennverfahren der zweiten Generation" (siehe VDI-Fortschrittsbe- richte Reihe 12, Nr. 539 ; Geringer B. et al.) eine Laserzündeinrichtung bei einer Otto-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Laserstrahl ein Eintrittsfenster im Bereich der Einspritzeinrichtung durchtritt und in einem Zündort innerhalb des Strahlkegels des Einspritzstrahles fokussiert ist. Die Achse der Einspritzeinrich- tung weist zur Zylinderachse einen Winkel von ca. 20° auf. Die Technologiekom- bination strahigeführtes Brennverfahren und laserinduzierte Zündung ermöglicht eine freie Wahl des Zündorts, eine direkte Zündung im Kraftstoffstrahl, und somit eine sichere und verschleißfreie Verbrennungseinleitung. Im Artikel wird auf die Problematik der Verschmutzung der Eintrittsoptik durch Ablagerungen im moto- rischen Verbrennungsprozess hingewiesen und jene Schwellenergie des Laser- strahls berechnet, die für ein Abtragen der Ablagerungen erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der eingangs beschriebenen be- kannten Vorrichtung eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum vorzuschlagen, welche nach einem strahigeführten Brennver- fahren arbeitet und eine Laserzündeinrichtung aufweist, wobei die durch die Ein- spritzeinrichtung und die Zündeinrichtung bedingten Asymmetrien im Brennraum weiter verringert werden sollen und die Entstehung von Ablagerungen am Ein- trittsfenster der Laserzündung verzögert werden soll.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine reproduzierbare Gemischaufbereitung mit minimalen Toleranzanforderungen für die Zündkerzen-und Injektorpositio- nierung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Achse der Einspritzein- richtung annähernd parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist und einen Winkel ß von 0° bis 5° mit der Zylinderachse einschließt, sowie dass der zumindest eine Einlasskanal, im Hinblick auf dessen Verlauf, dessen Form und dessen Anordnung zur Einspritzeinrichtung derart ausgeführt ist, dass sich eine Tumble-und/oder Drallströmung etabliert, die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster der Laserzündeinrichtung heranführt. Dadurch wird insbeson- dere im Schichtbetrieb fettes Gemisch vom Eintrittsfenster ferngehalten, das Fenster gekühlt und die freie Weglänge der Ladung für Abdampf-und Abtrans- portprozesse verlängert.

Erfindungsgemäß können diese Effekte dadurch verstärkt werden, dass die Kol- benoberfläche im Zusammenspiel mit der Geometrie des Zylinderkopfes im obe- ren Totpunkt eine Quetschströmung erzeugt, die kraftstoffarmes oder kraftstoff- freies Zylindergas am Eintrittsfenster der Laserzündeinrichtung vorbeiführt.

Weiters ist vorgesehen, dass die Strahlachse der Laserzündeinrichtung mit der Achse der Einspritzeinrichtung einen spitzen Winkel a von 7° bis 22°, vorzugs- weise von 9° bis 20°, einschließt.

Die Laserzündeinrichtung kann in vorteilhafter Weise unter einem sehr spitzen Winkel zur Einspritzeinrichtung angeordnet sein, da durch die Tatsache der siche- ren Entzündung im Bereich des Strahlrandes eine sehr geringe Toleranzempfind- lichkeit besteht. Weiters kann Kolbenmulde zentral, annähernd kreisförmig aus- geführt werden und optimal den Bedürfnissen der Schichtung angepasst werden.

Der Zündort kann in Bereiche hoher Strömungsgeschwindigkeiten gelegt werden, da ein"Ausblasen des Zündfunkens"aufgrund der sehr kurzen Plasmastandzeit nicht möglich ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kolbenoberfläche eine die Tumble-und/oder Drallströmung unterstützende Form aufweisen.

Für einen ablagerungsfreien bzw. -armen Betrieb wird eine parallel gerichtete La- dungsbewegung an das Eintrittsfenster geführt. Im Schichtbetrieb kann der Zündort bevorzugt stromaufwärts der Einspritzung liegen, damit Abdampf-und Abtransportprozesse von fettem Gemisch begünstigt werden.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Zündort der Zündein- richtung außerhalb des Strahlkegels angeordnet ist und dass die Zündeinrichtung eine in den Strahlkegel des Einspritzstrahles ragende Umlenkfläche aufweist, um einen Teil des Einspritzstrahles zum Zündort zu leiten, wobei vorzugsweise vor- gesehen ist, dass die Umlenkfläche zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 2,5 mm tief in den Strahlkegel des Einspritzstrahles hineinragt. Die in Richtung des Teiles des Einspritzstrahles gemessene Tiefe der Umlenkfläche beträgt vor- zugsweise mindestens 2,0 mm. Prinzipiell kann für die Umlenkfläche jede Form gewählt werden, die eine Staupunktströmung bzw. Umlenkung zum Zündort er- möglicht und durch die Temperatur die Verdampfung fördert. Insbesondere kann die Umlenkfläche auch kugelförmig sein, wodurch der Vorteil einer Drehrich- tungsabhängigkeit erreicht wird. Durch die Umlenkfläche wird einerseits sicher- gestellt, dass sich zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Gemisch im Bereich der Funkenstrecke befindet. Andererseits kann durch die Umlenkfläche der Zündort in ausreichendem Abstand außerhalb des Strahlkegels angeordnet werden, so dass eine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators der Zündeinrichtung vermieden wird.

In einer sehr einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkfläche im Wesentlichen eben ausgebildet ist und etwa normal zur Er- zeugenden des Strahlkegels des Einspritzstrahles angeordnet ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Umlenkfläche zur Achse der Zündeinrichtung ge- neigt ausgebildet ist, wobei der Winkel zwischen Zündeinrichtung und Umlenk- fläche vorzugsweise maximal 30° beträgt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Otto-Brennkraftmaschine für flüssigen und gasförmigen Kraftstoff in einer Schnittdarstellung ; Fig. 2 eine Variante gemäß Fig. 1 mit einem Mehrlochinjektor ; Fig. 3 bis Fig. 5 weitere Ausführungsvarianten der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 ; Fig. 6 die Lage von Einspritz-und Zündeinrichtung einer erfindungsgemä- ßen Brennkraftmaschine ; Fig. 7 ein Detail aus Fig. 6 ; und Fig. 8 die Zündeinrichtung in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil VIII in Fig. 7.

Gemäß Fig. 1 sind pro Zylinder 10 die Einspritzeinrichtung 1 und die Laserzünd- einrichtung 2 in einem nicht weiter dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraft- maschine angeordnet und münden in einen Brennraum 3 ein. Mit 4 ist der Strahl- kegel des Einspritzstrahles 5 der Einspritzeinrichtung 1 bezeichnet. Der Zündort 6, der Fokus des Laserstrahls, ist innerhalb des Strahlkegels 4, d. h. innerhalb der geometrischen Einhüllenden, des Einspritzstrahles 5 angeordnet. Die Einlasska- näle 13 und Auslasskanäle 14 sind im dargestellten Beispiel strichliert einge- zeichnet.

Als Zündeinrichtung ist eine Laserzündeinrichtung 2 vorgesehen, deren Laser- strahl ein Eintrittsfenster 7 im Bereich der Mündung 8 der Einspritzeinrichtung 1 durchtritt und in einem Zündort 6 innerhalb des Strahlkegels 4 des Einspritz- strahles 5 fokussiert ist. Die Strahlachse 2'der Laserzündeinrichtung 2 kann mit der Achse 1'der Einspritzeinrichtung 1 einen sehr spitzen Winkel a von 7° bis 22°, vorzugsweise von 9° bis 20° einschließen, sodass eine kompakte, im Be- reich der Zylinderachse 10'konzentrierte Baugruppe aus Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung realisiert werden kann. Dabei ist die Achse 1'der Einspritzein- richtung 1 annähernd parallel zur Zylinderachse 10'ausgerichtet ist und schließt mit der Zylinderachse einen Winkel ß von 0° bis 5° ein.

Der zumindest eine Einlasskanal 13 ist im Hinblick auf dessen Verlauf, dessen Form und dessen Anordnung zur Einspritzeinrichtung 1 derart ausgeführt, dass sich eine Tumble-und/oder Drallströmung etabliert (siehe Fig. 3 bis Fig. 5), die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster 7 der La- serzündeinrichtung 2 heranführt.

Die Einspitzeinrichtung 1 ist annähernd zentral zum Zylinder 10 angeordnet, so- dass deren Mündung 8 lediglich eine Exzentrizität E zur Zylinderachse 10'von 0 bis 0, 05mal den Kolbendurchmesser D aufweist.

Beste Zündergebnisse ergeben sich dann, wenn der Zündort 6 1 mm bis 4 mm innerhalb des Strahlkegels 4 des Einspritzstrahles 5 positioniert ist (siehe Ab- stand Z) und der Eintrittsort des Laserstrahles am Strahlkegel 4 10 mm bis 16 mm stromabwärts der Mündung 8 der Einspritzeinrichtung 1 angeordnet ist (siehe Abstand X).

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann als Einspritzeinrichtung 2 ein Mehrlochinjektor vorgesehen sein, wobei der Zündort 6 innerhalb eines die Einzelstrahlen 5'des Injektors einhüllenden Strahlkegels 4'angeordnet ist. Die Fokuslänge L beträgt beispielsweise 6 mm bis 14 mm.

Wie anhand der Fig. 3 bis Fig. 5 dargestellt, sind unterschiedliche relative Anord- nungen der Laserzündeinrichtung 2 in Bezug auf die Einspritzeinrichtung 1 denk- bar. Die Kolbenoberfläche 9 des Kolbens 11 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass die Tumble-und/oder eine Drallströmung unterstützt wird, die kraftstoffar- mes bzw. kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster 7 der Laserzündein- richtung 2 heranführt.

Fig. 3 zeigt in einer Queranordnung (die Achse 2'der Laserzündeinrichtung 2 liegt in einer Querebene zur Motorlängsachse) die Etablierung einer Tumbleströ- mung 12. Die Tumbleströmung kann in bekannter Weise durch einen entspre- chenden Kanalverlauf und Kanalform des Einlasskanals 13 oder durch Einbauten im Einlasskanal (z. B. Tumbleklappen) erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt die Ausbildung einer Drall/Tumbleströmung 15 in einer Queranord- nung, welche im oberen Totpunkt von einer Quetschströmung 16 überlagert wird. Die Drallströmung wird in bekannter Weise durch die Kanalform, z. B. Spi- ralkanal, durch die Kanalanordnung, z. B. Tangentialkanal oder durch Drosselung eines der Einlasskanäle 13 erzielt. Die Quetschströmung 16 wird durch ein Zu- sammenspiel von Kolben-und Zylinderkopfgeometrie im oberen Totpunkt er- zeugt. Durch beide Maßnahmen wird fettes Gemisch vom Eintrittsfenster 7 fern- gehalten und relativ kühleres, kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas herangeführt.

Fig. 5 zeigt eine Drall/Tumbleströmung 15 unterstützt durch eine Quetschströ- mung 16 in einer Längsanordnung, bei welcher die Achse 2'der Laserzündein- richtung 2 in einer durch die Zylinderachsen 10'aufgespannten Längsebene liegt.

In strichlierter Darstellung sind-gesehen von der Auslasskanalseite-die beiden Einlasskanäle, der Spiralkanal 13 und der Tangentialkanal 13'dargestellt, wobei der Tangentialkanal 13'zur Drallerzeugung eine Drallklappe aufweist.

Wie in den Fig. 6 bis Fig. 8 dargestellt, sind die Einspritzeinrichtung 101 und die Zündeinrichtung 102 in einem nicht weiter dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet und münden in einen Brennraum ein. Mit Be- zugszeichen 103 ist der Strahlkegel des Einspritzstrahles 104 der Einspritzein- richtung 101 bezeichnet. Der Zündort 105 ist außerhalb des Strahlkegels 103 des Einspritzstrahles 104 angeordnet. Die Zündeinrichtung 102 weist ein im Ausfüh- rungsbeispiel durch eine Massenelektrode 106 gebildetes Umlenkelement 107 mit einer in den Strahlkegel 103 in einem Ausmaß a von mindestens 1 mm hineinra- gende Umlenkfläche 108 auf. Die Umlenkfläche 108 weist eine in Richtung des umgelenkten Kraftstoffstrahles gemessene Tiefe t von mindestens 2 mm auf. Die Breite b des Umlenkelementes beträgt mindestens 3 mm.

Im eingebauten Zustand befindet sich die Umlenkfläche etwa normal im Bezug auf den auftreffenden Kraftstoffstrahl, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Der Winkel a zwischen der Umlenkfläche 108 und der Zündkerzenachse 102a beträgt vorteil- hafterweise zwischen 0° und 60°, im Ausführungsbeispiel etwa 30°. Im Aus- führungsbeispiel ist die Umlenkfläche 108 eben ausgebildet. Genau so ist aber auch eine von einer Ebene abweichende strömungsangepasste Form möglich.

Die Umlenkfläche 108 hat die Aufgabe, einen Teil des Einspritzstrahles 104 im Bereich der Erzeugenden des Strahlkegels 103 abzuzweigen und dem Zündort 105 der Zündeinrichtung 102 zuzuführen. Dies gewährleistet einerseits die Aus- bildung eines zündfähigen Gemisches im Bereich des Zündortes 105 und verhin- dert andererseits die volle Benetzung der Elektroden und des Isolators der Zünd- einrichtung 102. Zusätzlich zur Strömungsumlenkung kommt es durch die in den Brennraum hineinragenden heißen Umlenkflächen zu einer Verdampfungsunter- stützung.