Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen wird im Brenn- raum jedes Zylinders das zum Antrieb des Kolbens zu verbren- nende Kraftstoff/Luft-Gemisch aus direkt in den Brennraum eingespritztem Kraftstoff mit separat durch Einlaßkanäle zu- geführter Verbrennungsluft gebildet. Bei fremdgezündeten Ot- to-Brennkraftmaschinen ist das Kraftstoff/Luft-Gemisch durch den Zündfunken einer in den Brennraum einragenden Zündkerze zu zünden und daher an den Elektroden der Zündkerze zündfähi- ges Gemisch bereitzustellen. In einem Schichtladungsbetrieb kann dabei durch späte Kraftstoffeinspritzung während des Ar- beitsspiels des jeweiligen Zylinders eine geschichtete Ge- mischwolke mit zündfähiger Kraftstoffkonzentration gebildet werden bei insgesamt magerem Gemisch im gesamten Brennraumvo- lumen. Der Betrieb mit geschichtetem Gemisch führt dabei zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schad- stoffemission der Brennkraftmaschine. Um die Zündfähigkeit des Gemisches im Bereich der Zündkerze insbesondere im Schichtladungsbetrieb sicherzustellen, wird der Kraftstoff meistens in einem Kegelstrahl in den Brennraum eingespritzt, wobei eine kegelförmige Kraftstoffwolke mit der Verbrennungs- luft gebildet wird. Bei einem sogenannten strahlgeführten Brennverfahren hängt die Gemischbildung stark von der zündfä- higen Qualität des Gemisches der Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze ab. Um eine stabile Gemischbildung und Zündung des Gemisches bei einem strahlgeführten Brennverfahren durch eine wohl konfigurierte, kegelförmige Kraftstoffwolke zu ge- währleisten, sind sogenannte Mehrlochinjektoren bekannt, de- ren Einspritzdüse mit mehreren, über ihren Umfang verteilten Einspritzlöchern versehen ist.

Die DE 198 04 463 Al offenbart einen solchen Mehrlochinjek- tor, bei dem wenigstens eine Reihe von über den Umfang der Einspritzdüse verteilten Einspritzlöchern vorgesehen ist, um durch eine gezielte Einspritzung von Kraftstoff über die Ein- spritzlöcher ein strahlgeführtes Brennverfahren durch Bildung der Gemischwolke zu realisieren.

Die geometrische Form des Brennraumes wird beeinflußt durch eine im Kolbenboden des Kolbens ausgesparte Kolbenmulde. Die Kolbenmulde liegt dabei etwa gegenüber der Einspritzdüse und stellt im Bereich des oberen Totpunktes der Kolbenbewegung das Restvolumen des Brennraumes dar, in dem sich der einge- spritzte Kraftstoff befindet. Die DE 199 22 964 A1 offenbart eine geometrische Gestaltung der Kolbenmulde zur Verbesserung der Gemischbildung mit kegelförmig eingespritztem Kraftstoff.

Insbesondere bei selbstzündenden Dieselbrennkraftmaschinen hat die geometrische Brennraumform maßgeblichen Anteil an der Qualität der Gemischbildung. Die bekannte Brennraumgestaltung weist dabei eine sogenannte Omega-Kolbenmulde auf, bei der der Kraftstoff durch eine zentrale Anhebung am Grund der Kol- benmulde in die außenliegenden Randbereiche der kreisförmigen Kolbenmulde gerichtet wird, um dort zur Bildung des Kraft- stoff/Luft-Gemisches beizutragen.

Bei direkteinspritzenden Otto-Motoren mit Fremdzündung wird bei der Verwendung von Mehrlochinjektoren bei der inneren Ge- mischbildung der Kraftstoff möglichst spät während des Kom- pressionshubes des Kolbens eingespritzt, um einen größtmögli- chen Schichtungsgrad der Gemischwolke zu erreichen. Im Be- trieb solcher Brennkraftmaschinen wird immer wieder festge- stellt, daß die Schadstoffemission unerwünscht hoch liegt und auch die Kolbenoberfläche zu Verkokungen neigt. Solche Er- scheinungen beruhen auf einer Benetzung der Kolbenoberfläche mit dem eingespritzten Kraftstoff, welche trotz des zum Ein- spritzzeitpunkts hohen Innendrucks des Zylinders in Folge des geringen Abstandes zwischen Injektor und Kolbenboden nicht zu vermeiden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennkraftmaschine derart auszubilden, daß auch bei einem Be- trieb mit später Kraftstoffeinspritzung eine Kraftstoffbenet- zung des Kolbens bei der Einspritzung ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Pa- tentanspruchs 1 gelöst. Außerdem wird ein Verfahren zum Be- trieb einer solchen Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß ist die Kolbenmulde mit mehreren im Kolbenbo- den ausgehöhlten Radialkavitäten in radialer Richtung des Kolbens erweitert. Die Radialkavitäten sind dabei derart über den Umfang der Kolbenmulde verteilt, daß jedem Einspritzloch des Injektors eine Kavität zur Aufnahme des jeweiligen Kraft- stoffstrahls dieses Einspritzloches zugeordnet ist. Bei der Kraftstoffeinspritzung werden die innerhalb des Kegelstrahls auch mit radialen Komponenten vom Injektor ausgehenden Ein- zelstrahlen des eingespritzten Kraftstoffes in den Radialka- vitäten aufgenommen und werden von der Oberfläche des Kolben- bodens ferngehalten. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Kol- benmulde mit zusätzlichen Radialkavitäten schließt eine Be- netzung der Kolbenoberfläche mit Brennstoff aus und verrin- gert so die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine. Die Aushöhlung des Kolbenbodens mit Radialkavitäten zur Aufnahme der Kraftstoffstrahlen des Mehrlochinjektors erlauben dabei eine freie Gestaltung der Kraftstoffeinspritzung beim strahl- geführten Gemischbildungsverfahren und gestatten auch größere Öffnungswinkel des Kegelstrahls. Dabei kann der Kraftstoff bedarfsweise an einem Öffnungswinkel des aus den Kraftstoff- strahlen aller Einspritzlöcher des Mehrlochinjektors gebilde- ten Kegels von etwa 130° eingespritzt werden. Der Öffnungske- gel beträgt vorzugsweise 75° bis 85°.

Die Erweiterung der Kolbenmulde mit Radialkavitäten und der damit erreichte Ausschluß jeglicher Benetzung der Kolbenober- fläche mit Kraftstoff ermöglicht sehr späte Einspritzzeit- punkte während des Kompressionstaktes. Erfindungsgemäß wird wenigstens in unteren Lastbereichen der Brennkraftmaschine durch die späte Kraftstoffzumessung ein geschichtetes Gemisch mit örtlich unterschiedlichen Kraftstoffkonzentrationen ge- bildet (Schichtladungsbetrieb), wobei ein Beginn der Kraft- stoffzumessung zu einem späteren Zeitpunkt als etwa 50° Kur- belwinkel vor dem oberen Totpunkt während des Kompressions- taktes vorgesehen ist. Vorteilhaft erfolgt die Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches spätestens 10° Kurbelwinkel nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung des Mehrlochinjektors.

Die Radialkavitäten nehmen den jeweiligen Kraftstoffstrahl der einzelnen Spritzlöcher des Injektors in sich auf und ver- längern die Entfernung der Kolbenmulde von dem jeweiligen Einspritzloch und erlauben daher eine Kraftstoffeinspritzung mit einem hohen Druck von mehr als 80 bar. Vorzugsweise wird der Kraftstoff mit mehr als 160 bar eingespritzt.

Vorteilhaft ist pro Einspritzloch des Injektors eine Radial- kavität vorgesehen, in welche der Kraftstoffstrahl des jewei- ligen Einspritzloches gerichtet ist und der eingespritzte Kraftstoff mit der Verbrennungsluft gemischt wird. In bevor- zugter Gestaltung der Erfindung werden die Radialkavitäten drehsymmetrisch am Umfang der Kolbenmulde verteilt. Ein Kol- ben mit einer derartig ausgestalteten Kolbenmulde kann mit Mehrlochinjektoren verschiedener Lochanzahl zusammenwirken, welche gleichmäßig am Umfang der Mehrlochdüse verteilt sind und ein ganzteiliges Vielfaches der Anzahl der drehsymmetri- schen Radialkavitäten beträgt. In bevorzugter Ausgestaltung wird die Anzahl der Einspritzlöcher am Umfang der Einspritz- düse mit der Anzahl der Radialkavitäten zur Erweiterung der Kolbenmulde abgestimmt, wobei jedem Einspritzloch eine Radi- alkavität zugeordnet wird. Dabei kann auch eine Drehwinkel- orientierte Einbaulage des Injektors vorgesehen sein, bei- spielsweise mit einer örtlich unterschiedlichen Kraftstoff- konzentration im Kegelmantel des Kegelstrahls zum Zwecke der Anreicherung des Kraftstoffes im Bereich der Zündkerze, wobei eine auf der Drehwinkel-Orientierung des Injektors Rechnung tragende Gestaltung der Radialkavitäten möglich ist.

In bevorzugter Ausgestaltung wird die Kolbenmulde mit den Ra- dialkavitäten im Kolben radial über einen auf Höhe des Kol- benbodens liegenden Rand der Kolbenmulde hinaus ausgebaucht, wodurch sich die Radialkavitäten nach Art einer Kaverne teil- weise unterhalb der Überdeckung des Kolbenbodens erstreckt.

Die Kolbenmulde wird dabei vorteilhaft mit einer zentralen Erhebung von ihrem Grund ausgebildet, welche kegelförmig aus- gestaltet sein kann, um die Gemischbildung in den Radialkavi- täten aktiv zu unterstützen. Die diametral am Rand der Kol- benmulde gegenüberliegenden Radialkavitäten weisen dabei ei- nen etwa Omega-förmigen Querschnitt auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen : Fig. 1 einen Längsschnitt eines Zylinders einer Otto- Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine geschnittene Ansicht einer Einspritzdüse, Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Kolbenboden mit daran aus- gebildeter Kolbenmulde.

Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Brennkraftmaschine 1 umfaßt mehrere Zylinder 2, in denen in an sich bekannter Wei- se ein Hubkolben 3 längsbeweglich angeordnet ist und mit sei- nem Kolbenboden 5 einen Brennraum 4 begrenzt. Der Zylinder 2 ist von einem Zylinderkopf 9 verschlossen, in dem ein Injek- tor 8 zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brenn- raum 4 aufgenommen ist. In dem Zylinderkopf 9 ist außerdem mindestens ein Einlaßventil vorgesehen, durch das beim La- dungswechsel Frischgas in den Brennraum 4 geführt wird zur Bildung von zündfähigem Kraftstoff/Luft-Gemisch mit dem vom Injektor 8 eingespritzten Kraftstoff. Das Kraftstoff/Luft- Gemisch wird von einer Zündkerze 10 gezündet. Der Injektor 8 ist in zentraler Lage des Brennraumes 4 auf einer Zylinder- achse 7 des Zylinders 2 angeordnet und spritzt mit seiner in den Brennraum 4 ragenden Einspritzdüse den Kraftstoff kegel- förmig in den Brennraum ein. Mit der Verbrennungsluft wird dabei eine kegelförmige Gemischwolke 14 gebildet, wobei sich die Elektroden der Zündkerze 10 im Mantelbereich der kegel- förmigen Kraftstoffwolke 14 befinden. In unteren Lastberei- chen der Brennkraftmaschine ist ein Schichtladungsbetrieb vorgesehen, wobei der Kraftstoff zu einem späten Zeitpunkt kurz vor der Zündung des Gemisches eingespritzt wird. Dabei liegen im Brennraum örtliche Unterschiede der Kraftstoffkon- zentration vor und bei insgesamt magerem Gemisch kann an den Elektroden der Zündkerze 10 kraftstoffreiches und zündfähiges Gemisch bereitgestellt werden.

Zur Erzeugung des Kegelstrahls ist die Einspritzdüse 11 des Injektors 8 mit mehreren Einspritzlöchern an ihrem Umfang ausgestattet, durch die bei einem Einspritzvorgang einzelne Kraftstoffstrahlen in den Brennraum 4 gelangen. Die Ein- spritzdüse 11 ist dabei vorzugsweise als sogenannte Sitzloch- düse ausgestaltet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Injektor 8 weist dabei eine nach innen öffnende Ventilnadel 18 auf. Das Ventilglied 18 verschließt dabei die Kraftstoffkammer, welche durch Einspritzlöcher 12 am Umfang der Düse 11 Zugang zum Äu- ßeren hat. In der Kraftstoffkammer 20 wird Kraftstoff unter einem hohen Druck von vorzugsweise mehr als 160 bar zur Ein- spritzung bereitgestellt. Bei Abheben der Injektornadel 18 in Richtung der Längsachse 7 werden die am Umfang der Sitzloch- düse 11 gleichmäßig verteilten Einspritzlöcher 12 freigege- ben. Die Einspritzlöcher 12 sind als Kanäle in der Wandung der Einspritzdüse 11 derart ausgebildet, daß jeder Kraft- stoffstrahl eines Einspritzloches in einem Winkel zur Längs- achse 7 abgegeben wird. Die einzelnen Kraftstoffstrahlen bil- den den Mantel eines Kegelstrahls aus.

Fig. 2 zeigt einen Injektor 8, an dessen Injektorspitze 19 eine kegelig zugespitzte Einspritzdüse 11 ausgebildet ist, an deren Umfang gleichmäßig verteilte Einspritzlöcher 12 vorge- sehen sind. Zur Ausbildung des Kegelstrahls sind mindestens sechs Einspritzlöcher, vorzugsweise 10 bis 12 Einspritzlöcher 12 am Umfang der Einspritzdüse 11 gleichmäßig verteilt. Um die Qualität der inneren Gemischbildung durch genaue Führung der einzelnen Kraftstoffstrahlen zu verbessern, können die Einspritzlöcher hydroerosiv verrundet sein. Die Einspritzlö- cher 12 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 140 m auf. Dabei wird ein Verhältnis der Länge der Ein- spritzlöcher L zu den Durchmessern D von L/D < 3 als vorteil- haft angesehen ; das Verhältnis betrifft vorzugsweise etwa 2.

Die Injektorspritze 19 des Injektors 8 nach Fig. 2 wird vor- zugsweise mit Verhältnissen D1/D2 von 0,4 bis 0,7 und L1/L2 = 0,08 bis etwa 0,22 gestaltet.

Um bei einem strahlgeführten Brennverfahren und insbesondere im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine eine sichere Zündung und saubere Verbrennung sicherzustellen, kann die in- nere Gemischbildung und Kraftstoffverteilung durch geeignete Luftbewegung im Brennraum unterstütz werden. Die Einlaßluft kann dabei durch entsprechende Gestaltung der Einlaßkanäle in bedarfsweise steuerbaren Drallbewegungen um die Zylinderachse 7 oder Tumblebewegungen in der Ebene der Injektorachse 7 ge- steuert werden.

Erfindungsgemäß ist in dem Kolbenboden 5 des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Kolbens 3 eine Kolbenmulde 6 vorgese- hen, welche in zentraler Lage gegenüberliegend der Einspritz- düse 11 ausgespart ist. Um einer Benetzung des Kolbenbodens 5 mit Kraftstoff bei sehr später Einspritzung im Schichtla- dungsbetrieb entgegenzuwirken, wenn der Kolbenboden sich näm- lich bereits nahe dem Injektor befindet, ist die Kolbenmulde 6, wie in Fig. 3 dargestellt, mit radialen Kavitäten 16 er- weitert. Die im Kolbenboden 5 ausgehöhlten Radialkavitäten 16 sind dabei derart am Umfang der Kolbenmulde 6 verteilt, daß jedem Einspritzloch 12 des Injektors 8 eine Kavität 16 zur Aufnahme des jeweiligen Kraftstoffstrahls 13 zugeordnet ist.

Im Ausführungsbeispiel des in Fig. 3 in Draufsicht darge- stellten Kolbens 3 sind für einen Injektor mit acht Ein- spritzlöchern acht Kavitäten 16 vorgesehen, welche gemäß der gleichmäßigen Anordnung der Einspritzlöcher am Umfang der Dü- se drehsymmetrisch am Umfang der Kolbenmulde 6 angeordnet sind. Die Radialkavitäten 16 erstrecken sich in radialer Richtung bis zu einem gemeinsamen Umkreis 22, dessen Radius RK etwa das 0,6 bis 0,9fache, vorzugsweise das 0,8fache des Radius Rz des Kolbens 3 bzw. des Zylinders 2 beträgt. Die Ra- dialkavitäten 16 weiten die sich auf dem Umkreis 21 erstre- ckende Kolbenmulde 6 abschnittsweise im Bereich der Kraft- stoffstrahlen des Injektors auf, wodurch für jeden Kraft- stoffstrahl 13 eine längere Wegstrecke auch bei injektornaher Position des Kolbens bereitsteht und einer Benetzung der Kol- benoberfläche entgegengewirkt ist.

Die Radialkavitäten 16 sind vorzugsweise derartig in dem Kol- ben 3 ausgebaucht, daß sich die Kolbenmulde 6 im Bereich der Kavitäten innerhalb des Kolbens 3 radial über einen auf Höhe des Kolbenbodens 5 liegenden Rand 17 hinaus erstreckt. Die radialen Aushöhlungen zur Aufnahme der jeweiligen Kraftstoff- strahlen liegen nach Art einer Kaverne innerhalb des Kolbens 3 unterhalb der Kolbenoberfläche. Vorteilhaft ist die Kolben- mulde 6 mit einer Tiefe von mindestens 5 mm ausgestaltet und weist eine zentrale Erhebung 15 auf, welche den Grund der Kolbenmulde 6 kegelförmig gestaltet und zur Führung der Ge- mischwolke bei der Gemischbildung in die Radialkavitäten 16 beiträgt.

Die erfindungsgemäßen Radialkavitäten 16 der Kolbenmulde 6 verhindern zum einen die Benetzung der Kolbenoberfläche mit Kraftstoff, so daß auch sehr späte Kraftstoffeinspritzungen im Schichtladungsbetrieb möglich sind und so die Qualität der Gemischbildung erhöht werden kann. Darüber hinaus tragen die erfindungsgemäßen Radialkavitäten 16 in radialer Richtung der Strahlausbreitung des Injektor-Kegelstrahls zur Wahrung des konstruktiv geforderten Verdichtungsverhältnisses der jewei- ligen Brennkraftmaschine bei. Das Verdichtungsverhältnis be- wegt sich vorteilhaft bei Saugmotoren zwischen 10 und 13 und bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zwischen 8,5 und 11.

Die Ausbildung der Kolbenoberfläche mit Radialkavitäten in der Kolbenmulde erlaubt eine freie Wahl der Öffnungswinkel des Kegelstrahls des Injektors 8 im Hinblick auf die zu er- reichende Verbrennungsqualität. Ein Strahlwinkel zwischen den einzelnen Stahlachsen der Krafftstoffstrahlen gemessen in der Injektorachse von 60° bis 130° ist frei wählbar, wobei ein Öffnungswinkel des Kegelstrahls von 75° bis 85° als vorteil- haft gesehen wird.

Der Injektor kann mit Heizelementen zur Kraftstoffvorwärmung ausgestattet sein oder auch Einrichtungen zur Zuführung ver- schiedener Kraftstoffarten aufweisen (Bi-Fuel-Ventil), bei- spielsweise zur Zuführung leichtflüchtigen Startkraftstoffes für den Kaltstart.

In einer Gesamtabstimmung der Brennkraftmaschine erscheint zur Verbesserung der Gemischbildung mit einem Kolben mit Ra- dialkavitäten in der Kolbenmulde ein Verhältnis der Durchmes- ser des Einspritzventils zur Zylinderbohrung von 0,3 bis 0,38 und ein Verhältnis des Durchmessers des Auslaßventils zur Zy- linderbohrung von 0,28 bis 0, 32 für zweckmäßig. Die Einlaß- ventile und die Auslaßventile liegen dabei vorteilhaft in ei- nem Verhältnis von 1,02 bis 1,1 zueinander. Mit einem hohen Einspritzdruck von vorteilhaft mehr als 160 bar kann eine ge- naue und sehr späte Kraftstoffzumessung erfolgen, da die er- findungsgemäßen Radialkavitäten auch bei einem hohen Druck eine Benetzung der Kolbenoberfläche verhindern. Die diametral in der Kolbenmulde 6 gegenüberliegenden Kavitäten 16 bilden dabei eine Omega-Form, welche zur Aufbereitung des in die je- weilige Radialkavität 6 eingespritzten Kraftstoffstrahls bei- trägt. Ein Verhältnis der Kanallänge der in Fig. 2 darge- stellten Einspritzlöcher 12 zu dem Einspritzdruck sollte we- niger als 0,25 x 10-9 m/Pa betragen.

Zur Verbesserung der Entflammbarkeit der Gemischwolke 14 im Schichtladungsbetrieb wird die Zündkerze zweckmäßig zwischen zwei Kraftstoffstrahlen 13 des Injektors positioniert. Bei Verwendung eines Zylinderkopfes mit vier Ventilen sollte sich die Zündkerze zwischen den Auslaßventilen befinden. Die Zünd- kerze kann dabei mit Drehwinkel-orientierter Massenelektrode eingebaut werden, wobei zur Stabilisierung der Zündung auch mehrere Zündkerzen und insbesondere eine Wechselspannungs- zündanlage mit variabler Funkendauer Verwendung finden kann.

Die erfindungsgemäße Brennraumgeometrie mit Radialkavitäten zur Erweiterung der Kolbenmulde und Aufnahme der einzelnen Kraftstoffstrahlen 13 eines Mehrlochinjektors 8 erlaubt ohne Benetzung des Kolbens eine sehr späte Kraftstoffeinspritzung und eine rasche Zündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches spätes- tens 10° Kurbelwinkel nach dem Ende der Kraftstoffeinsprit- zung.