Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine bekannte Brennkraftmaschine mit einer Zentraleinspritz ^¬ anlage, auch als Mono-Jetronic oder Mono-Motronic bezeichnet, (Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 463, rechtes Bild sowie Text) weist ein von einem Motorsteuergerat gesteuertes, elektromagnetisches Kraftstoff-Einspritzventil auf, das in einem Luft-Ansaugstutzen angeordnet ist und Kraftstoff in den Luftstrom einspritzt. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei stromaufwärts einer im Ansaugstutzen angeordneten Drosselklappe zur betriebspunktabhangigen Drosselung des Luftstroms und in Stromungsrichtung des Luftstroms hin zur Drosselklappe gerichtet. Stromabwarts der Drosselklappe verzweigt sich der Ansaugstutzen in einzelne Saugrohre. Jedes Saugrohr mundet in einem von einem Einlassventil steuerbaren Einlass eines Verbrennungszylinders der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine. Die für eine gute Kraftstoffausbeute im Verbrennungsprozess erforderliche Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs innerhalb des Luftstroms der Ansaugluft findet durch die hohe Stromungsgeschwindigkeit im Drosselklappenspalt, d.h. im Spalt zwischen Drosselklappe und Innenwand des Ansaugstutzens, statt.

Für eine demgegenüber verbesserte Gemischaufbereitung und bessere Dosierung der den einzelnen Verbrennungszylindern zugefuhrten Kraftstoffmenge wird eine Einspritzanlage mit Einzeleinspritzung eingesetzt, bei der in den stromabwärts der Drosselklappe von dem Ansaugstutzen abgehenden Saugrohren zu den Verbrennungszylindern jeweils ein elektromagnetisches Kraftstoff-Einspritzventil angeordnet ist, das den Kraftstoff in Luftstromungsrichtung direkt vor den Einlass des zugeordneten Verbrennungszylinders und dem dort vorhandenen Einlassventil spritzt (vgl. vorgenannte Literaturstelle, Seite 463, linkes Bild und entsprechende Textstelle) .

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemaße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Einspritzung des Kraftstoffs gegen die Stromungsrichtung der Luftströmung im Luft-Ansaugstutzen eine hohe Differenzgeschwindigkeit zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der angesaugten Luft entsteht. Diese hohe Differenzgeschwindigkeit fuhrt zu einer raschen

Verdampfung und Homogenisierung des Kraftstoffs in der Ansaugluft innerhalb des Ansaugstutzens und somit zu einer guten Gemischaufbereitung, deren Qualität vergleichbar ist mit der einer Gemischaufbereitung bei einer Einzeleinspritzanlage. Gegenüber einer Einzeleinspritzanlage werden aber wesentliche Kostenvorteile erzielt. Allein durch die Reduzierung der erforderlichen Einspritzventile auf ein einziges Einspritzventil, unabhängig von der Zahl der vorhandenen Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine und der Zahl der Einlassventile pro Verbrennungszylinder, werden erhebliche Fertigungskosten eingespart. Hinzu kommt der verringerte Verkabelungsaufwand, da nur noch ein einziges Einspritzventil elektrisch mit dem Motorsteuergerat verbunden werden muss, ein reduzierter Hardwareaufwand im Motorsteuergerat, da nur noch eine Endstufe für das einzige Einspritzventil vorgehalten werden

muss, und der Entfall des Kraftstoffverteilers, der sog. Fuel- Rail, da ein direkter Anschluss der KraftstoffZuleitung an das Einspritzventil möglich ist.

Die gegenüber einer Zentraleinspritzanlage verbesserte Gemisch ^¬ aufbereitung und -homogenisierung, die gemäß vorteilhaften Ausfuhrungsformen der Erfindung durch Krafteinspritzung stromabwärts der Drosselvorrichtung und Minimierung der Wandbenetzung des Ansaugstutzens mit Kraftstoff noch unterstutzt wird, hat ein verbessertes Dynamikverhalten der Brennkraftmaschine und eine verbesserte Startfahigkeit bei reduzierter Anfettung zur Folge. Die übrigen Komponenten einer Zentraleinspritzanlage, wie Kraftstoffpumpe, rucklauffreies KraftstoffzulaufSystem für das Einspritzventil, bleiben unangetastet.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist der

Ansaugstutzen stromabwärts der Drosselvorrichtung trichterförmig zu einem zylinderförmigen Saugrohr-Sammler aufgeweitet, in dessen von der Drosselvorrichtung abgekehrten, geschlossenen Stirnflache die Abzweigstellen der zu den Einlassen der Verbrennungszylinder fuhrenden Saugrohre liegen. Das Einspritzventil ist zentral zwischen den in der Stirnflache des Sammlers ausgebildeten Abzweigstellen der Saugrohre mit in Achsrichtung des Sammlers weisender Einspritzrichtung angeordnet. Das Einspritzventil ist so ausgebildet, dass es einen sich kegelförmig aufweitenden Kraftstoffstrahl abspritzt, dessen

Kegelwinkel für eine maximale Durchmischung des Kraftstoffsprays mit Ansaugluft maximal bemessen ist, vorzugsweise großer 90° betragt. Der Innendurchmesser des Sammlers ist so auf den Kegelwinkel des abgespritzten KraftstoffStrahlkegels abgestimmt, dass die Innenwände des Sammlers nicht oder nur wenig mit

Kraftstoff benetzt werden. Die axiale Lange des Sammlers ist gleich der oder großer als die Spritzreichweite des KraftstoffStrahls bemessen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung ausschnittweise eine vier- zylindrige Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff- Einspritzanlage, schematisiert dargestellt.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

Die in der Zeichnung ausschnittweise dargestellte Brennkraft ^¬ maschine weist einen Motorblock 11 mit vier Verbrennungs ^¬ zylindern auf, in welchen in bekannter Weise jeweils ein Hubkolben axial verschieblich gefuhrt ist. Die Verbrennungszylinder sind von einem Zylinderkopf 12 überdeckt, der in jedem Verbrennungszylinder zusammen mit dem Hubkolben einen Brennraum einschließt. Jeder Verbrennungszylinder besitzt mindestens einen im Zylinderkopf 12 ausgebildeten Einlass und einen im Zylinderkopf 12 ausgebildeten Auslass. Ein- und Auslasse werden von Gaswechselventilen gesteuert. In der Zeichnung sind lediglich die vier Einlasse 13 der insgesamt vier Verbrennungszylinder dargestellt, über die die Brennraume in den Verbrennungszylindern aufeinanderfolgend mit einem gasformigen Kraftstoff-Luftgemisch befullt werden, wobei die Gasfullmenge durch die den Einlasse 13 zugeordneten Gaswechselventile steuerbar ist.

Für eine Gemischaufbereitung, die eine hohe Kraftstoffausbeutung im Verbrennungsprozess in den Verbrennungszylindern sicherstellt, sorgt eine Kraftstoff-Einspritzanlage. Die Kraftstoff- Einspritzanlage weist einen Luftansaugstutzen 15, eine im

Luftansaugstutzen 15 angeordnete Drosselvorrichtung 16, die im Ausfuhrungsbeispiel als Drosselklappe ausgebildet ist, und ein elektromagnetisches Kraftstoff-Einspritzventil 17 auf, das über eine Kraftstoffpumpe 18 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 19 versorgt wird und von einem Steuergerat 20 elektrisch angesteuert wird. Der Luftansaugstutzen 15 erweitert sich stromabwärts der Drosselvorrichtung 16 trichterförmig zu einem durchmessergroßeren, zylinderförmigen Saugrohr-Sammler 21, der an seinem von der Drosselvorrichtung 16 abgekehrten Ende von einer Stirnflache 211 abgeschlossen ist. Von der Stirnflache 211 des Sammlers 21 fuhren einzelne Saugrohre 22 zu jeweils einem Einlass 13 eines Verbrennungszylinders. Die Saugrohre 22 stehen einerseits an den Abzweigstellen vom Sammler 21 über in der Stirnflache 211 vorhandene Offnungen 23 mit dem Innern des Sammlers 21 in Verbindung und munden andererseits in dem jeweiligen Einlass 13 im Zylinderkopf 12. Die Saugrohre 22 sind dabei so den Offnungen 23 zugeordnet, dass die Abzweigstellen derjenigen Saugrohre 22 einander diametral gegenüberliegen, die zu den in der Zündfolge aufeinanderfolgenden Verbrennungszylindern bzw. deren Einlasse 13 fuhren. Bei der im Ausfuhrungsbeispiel beschriebenen, vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit einer Zylindernummerierung 1, 2, 3 und 4 sind also die Offnungen 23 der Saugrohre 22 in der Stirnflache 211 des Saugrohr-Sammlers 21 in der Reihenfolge 1, 3 , 2 und 4 auf einen Lochkreis im gleichen Abstand voneinander angeordnet.

Das Kraftstoff-Einspritzventil 17 ist zentral zwischen den in der Stirnflache 211 vorhandenen Offnungen 23 der Saugrohr- Abzweigstellen mit in Achsrichtung des Sammlers 21 weisender Einspritzrichtung angeordnet. Die Einspritzrichtung des Einspritzventils 17 ist dabei der Stromungsrichtung des Luftstroms im Ansaugstutzen 15, die in der Zeichnung durch den Pfeil 24 gekennzeichnet ist, entgegengerichtet.

Das Kraftstoff-Einspritzventil 17 spritzt bei Ansteuerung durch das Steuergerat 20 einen sich kegelförmig aufweitenden Kraftstoffstrahl 25 in die über die Drosselvorrichtung 16 in den Sammler 21 einströmende Ansaugluft ein. Die Abmessungen des Sammlers 21 und der Offnungswinkel des KraftstoffStrahlkegels sind so aufeinander abgestimmt, dass die Zylinderwand 212 des Sammlers 21 nicht oder nur wenig mit Kraftstoff benetzt wird. Ebenso hangt die axiale Lange des Sammlers 21 von der Reichweite des Kraftstoffstrahlkegels ab. Für eine gute Homogenisierung des Kraftstoffs in der Ansaugluft wird der Offnungswinkel des

Kraftstoffstrahlkegels 25 möglichst groß, beispielsweise großer 90° gewählt. Betragt die Strahlpenetration im Sammler 21 ca. 100mm so wird bevorzugt die axiale Lange des zylindrischen Teils des Sammlers 21, also ohne den trichterförmigen Abschnitt, ebenfalls ca. 100mm gewählt. Das Gesamtvolumen des Sammlers 21, also einschließlich des trichterförmigen Teils, wird vorzugsweise ca. doppelt so groß gewählt wie die Summe des Hubraumvolumens aller vier Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine. Der Sammler 21 ist aus Metall, vorzugsweise aus Metallguss gefertigt, um die Auswirkungen möglicher

Ruckzundungen im Saugrohr zu minimieren. Dabei wird eine rauhe Materialoberflache der Innenwände des Sammlers 21 bevorzugt. Um eine möglichst vollständige Durchmischung des Kraftstoffs in der Ansaugluft zu erzielen sind - wie hier nicht weiter dargestellt - im Sammler 21 Mittel zur verstärkten Verwirbelung des Luft- Kraftstoffgemisches, wie z.B. Stromungsabrisskanten, vorgesehen. Vorteilhaft wird der Sammler 21 einer Wärmequelle ausgesetzt, z.B. der Wärmestrahlung eines Abgaskrummers, oder eine Ansaugluftvorwarmung oder ein PTC-Heizelement vorgesehen. Die Saugrohre 22 sind gleich lang ausgebildet, werden jedoch insgesamt relativ kurz gehalten, um einen dynamischen Fahrbetrieb zu gewahrleisten. Die Lange der Saugrohre 22 ist abhangig von Aufladeeffekten durch Druckschwingungen. Der Durchmesser der Saugrohre 22 wird so auf deren Lange abgestimmt,

dass das Saugrohrvolumen des einzelnen Saugrohrs 22 etwa gleich dem Hubraum des zugeordneten Verbrennungszylinders ist.

Die beschriebene Kraftstoff-Einspritzanlage 14 ist in der Brennkraftmaschine so eingebaut, dass die Stromungsrichtung 24 des Luftstroms durch Ansaugstutzen 15 und Sammler 21 vertikal aufsteigend ist, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Auf diese Weise wird ein flussiger Wandfilmtransport aus dem Sammler 21 in die Brennraume der Verbrennungszylinder vermieden. Flussiger Kraftstoff, der sich bei kalten Umgebungsbedingungen an den Wanden des Sammlers 21 niederschlagt, wird aufgrund dieser Einbauanlage durch Gravitation in Richtung zur Drosselvorrichtung 16 befordert. Aerodynamische Scherkräfte, die von der in die Brennraume angesaugten Luft erzeugt werden, reißen teilweise Grenzschichten des Wandfilms ab, der dann als Konglomerat kleiner Tropfen den Brennraumen zugeführt wird. Der Kraftstoffwandfilm, der bis zu der Drosselvorrichtung 16 als flussiger Film vordringt, wird dort aufgrund der hohen Stromungsgeschwindigkeiten durch den Drosselspalt abgerissen und der Ansaugluft zugeführt.