AT5304U1 - Verfahren zum betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zündeinrichtung (4) und zumindest einer in den Zylinderraum (3) mündenden Einspritzeinrichtung (5), wobei während des Einlasstaktes eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum (3) erfolgt. Um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verbessern, ist vorgesehen, dass im Leerlaufbetrieb und/oder im Teillastbetrieb aufgrund der Haupteinspritzung ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch mit einer Luftzahl Lambda größer/gleich 2 im Zylinderraum (3) gebildet wird und während des Verdichtungstaktes eine Zündstrahleinspritzung in den Zylinderraum (3) mit einem zerstäubten Kraftstoffzündstrahl (11) so erfolgt, dass im Bereich der Zündeinrichtung (4) ein zündfähiges, vorzugsweise stöchiometrisches, Kraftstoff-Luftgemisch entsteht und das homogene Kraftstoff-Luftgemisch der Haupteinspritzung durch den Zündstrahl (11) entzündet wird.

Description


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  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer in einem Zylin- derraum mündenden Zündeinrichtung und zumindest einer in den Zylinderraum mündenden Einspritzeinrichtung, wobei während des Einlasstaktes eine Haupt- einspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum erfolgt. 



  Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung wird Kraftstoff üblicherweise so in den Brennraum eingespritzt, dass in die Nähe der Zündein- richtung ein kraftstoffreiches zündfähiges Gemisch bei sonst im Durchschnitt magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt. Dabei wird eine Ladungsschichtung von kraftstoffreichem Gemisch im sonst kraftstoffarmen Gemisch erreicht, sodass das reichere Gemisch gezündet werden kann und dennoch ein Betrieb mit einer Luftzahl   #   > 1 ermöglicht wird. Durch den hohen Durchbrennungsgrad und die günstigen thermodynamischen Bedingungen zufolge ungedrosselter Einlassströ- mung ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad und ein niedriger Kraftstoffverbrauch. 



  Es hat sich allerdings in der Praxis gezeigt, dass der tatsächlich erzielbare Kraft- stoffverbrauch wesentlich hinter den theoretischen Erwartungen liegt. Ein Grund für diese Diskrepanz ist, dass es bei bekannten wandgeführten Systemen zu re- lativ grossen Wandwärmeverlusten zufolge extremer Vergrösserung der kraftstoff- benetzten Kolbenbodenoberflächen kommt. Weiters spielt der hohe Bedarf an Ladungsbewegungsenergie zufolge Ladungswechselverlusten eine nicht zu unter- schätzende Rolle. Bei bekannten bereits in Serie gebauten direkteinspritzenden Otto-Motoren treten darüber hinaus durch den überwiegenden Anteil von annä- hernd stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemischen im Bereich der Gemischwolke hohe NOx-Emissionen auf, welche mit hohem Aufwand einer Nachbehandlung unterzogen werden müssen. 



  Aus der DE 44 41 092 A1 ist ein Ventil zur Einbringung von Kraftstoff oder Kraft- stoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, mit welchem ein schirm- bzw. kegelartiger Einspritzstrahl erzeugt wird. Zur Siche- rung der Zündung des im Brennraum enthaltenen Kraftstoff-Luft-Gemisches wird von dem schirmartigen Einspritzstrahl ein Zündstrahl abgezweigt, der in den Bereich der Zündkerze gelangt, um somit kraftstoffreiches Kraftstoff-Luft-Ge- misch im Bereich des überspringenden Zündfunkens der Zündkerze bereit zu stellen. Dadurch soll eine geringere Wandbenetzung erreicht werden, wodurch die HC-Belastung des Abgases, sowie der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. 

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  Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem bei di- rekteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen der Kraftstoffver- brauch und die Emissionen verbessert werden können. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im Leerlaufbetrieb und/oder im Teillastbetrieb aufgrund der luftverteilten Haupteinspritzung ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch mit einer   Luftzahl # ¯   2 im Zylinderraum gebildet wird und während des Verdichtungstaktes eine Zündstrahleinspritzung in den Zylin- derraum mit einem luftzerstäubten Kraftstoffzündstrahl so erfolgt, dass im Be- reich der Zündeinrichtung ein zündfähiges, vorzugsweise stöchiometrisches, Kraftstoff-Luftgemisch entsteht und das homogene Kraftstoff-Luftgemisch der Haupteinspritzung durch den Zündstrahl entzündet wird. Im Leerlauf- und Teil- lastbereich wird somit ein zu einem frühen Zeitpunkt eingebrachtes homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer   Luftahi # ¯   2 durch einen möglichst gut zer- stäubten Zündstrahl zur Entflammung gebracht. 



  Der Verbrennungsablauf erfolgt dabei ähnlich einer ottomotorischen Verbren- nung, allerdings mit einer relativ schnellen Flammfrontausbreitung, die zentral am kraftstoffreichen Zündkern beginnt und sich mit fortschreitendem Tempera- turanstieg nach aussen ausbreitet. 



  Besonders niedrige Stickoxidemissionen und Rauchgaswerte lassen sich errei- chen, wenn die Zündstrahleinspritzmenge einen Bruchteil der Haupteinspritz- menge, vorzugsweise maximal 10% der Haupteinspritzmenge, besonders vor- zugsweise etwa 5-10% der Haupteinspritzmenge beträgt. Da NOx- bzw. Rauch- emissionen sich fast ausschliesslich im Bereich des annähernd stöchiometrischen Zündkernes bilden und dieser durch die geringe Kraftstoffmenge der Zündstrahl- einspritzung sehr klein gehalten wird, lässt sich gegenüber konventionellen di- rekteinspritzenden Otto-Motoren eine drastische Verbesserung der Abgasqualität erreichen. 



  Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennkraftmaschine bei Teillast ungedros- selt betrieben wird und zumindest im Teillastbetrieb eine Abgasrückführung er- folgt, wobei die   Luftzahl #   des Kraftstoff-Luftgemisches der Haupteinspritzung durch die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt wird. Die Einstellung der   Luftzahl #   des aufgrund der Hauptspritzung eingebrachten Kraftstoff-Luft-Ge- misches kann in einfacher Weise durch Steuerung der Abgasrückführmenge durchgeführt werden. Die Temperatur und die Rate des rückgeführten Abgases kann dabei auch zur Steuerung der Brenngeschwindigkeit dienen. 



  Um eine möglichst gute Zerstäubung des Zündstrahles zu erreichen, sollte der Kraftstoff mit ausreichend hohem Einspritzdruck in den Zylinderraum eingebracht werden. Dabei kann beispielsweise ein Speicher-Einspritzsystem oder ein Pumpe- Düse-Einspritzsystem zur Anwendung kommen. 

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  Um eine gleichmässige Homogenisierung des während der Haupteinspritzung ein- gebrachten Kraftstoffes zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn zumin- dest während der Haupteinspritzung eine Tumble-Ladungsbewegung im Zylin- derraum erzeugt wird. Als Tumble-Strömung wird eine Walzenströmung im Zy- linderraum bezeichnet, deren Rotationsachse etwa normal zur Zylinderachse ausgebildet ist. Durch die Tumble-Strömung wird die Gemischbildung in der Phase der Haupteinspritzung gefördert. 



  Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 



  Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch einen Zylinder einer nach dem erfindungs- gemässen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine während der Einlassphase und Figur 2 einen Schnitt durch den Zylinder dieser Brennkraftmaschine während der Kompressionsphase. 



  Die Figuren zeigen schematisch einen Schnitt durch einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine, in welchem ein hin und her gehender Kolben 2 angeordnet ist. In den Zylinderraum 3 münden eine im Ausführungsbeispiel zentral angeord- nete Zündeinrichtung 4 und eine seitliche angeordnete Einspritzeinrichtung 5. Mit Bezugszeichen 6 ist ein Einlassventil und mit Bezugszeichen 7 ein Auslassventil bezeichnet. Dabei kann jede mögliche Zahl an Zündeinrichtungen 4, Einspritz- einrichtungen 5, Einlassventilen 6 und Auslassventilen 7 eingesetzt werden. 



  Die Einspritzeinrichtung 5 ist bevorzugt als Einlochdüse ausgeführt, deren Dü- senöffnung auf die Zündeinrichtung 4 gerichtet ist. 



  Während des in Fig. 1 dargestellten Einlasstaktes, bei dem das Einlassventil 6 geöffnet ist, wird über die Einspritzeinrichtung 5 eine Haupteinspritzung durch- geführt. Durch den Tumble-erzeugend ausgebildeten Einlasskanal 6 wird dem Kraftstoff-Luft-Gemisch 8 aus der Haupteinspritzung eine Tumble-Bewegung auf- gezwungen, welche mit dem Pfeil 9 angedeutet ist. Die Tumble-Bewegung för- dert die Gemischbildung in der Phase der Haupteinspritzung, sodass das Kraft- stoff-Luft-Gemisch 8 aus der Haupteinspritzung sich im wesentlichen homogen im Zylinderraum 3 verteilt. Das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Haupteinspritzung weist dabei eine   Lutazahl #   ¯ 2 auf. Mit dem Pfeil 10 ist die Bewegungsrichtung des Kolbens angedeutet. 



  Während der in Fig. 2 dargestellten Kompressionsphase erfolgt eine Zündstrahl- einspritzung, wobei durch die Einspritzeinrichtung 5 ein gut zerstäubter Zünd- strahl 11 mit einer Luftzahl   von # #   1 in Richtung der Zündeinrichtung 4 einge- spritzt wird. Der Zündstrahl 11 wird durch die Zündeinrichtung 4 gezündet und entflammt seinerseits die im Zylinderraum 3 homogen verteilte Kraftstoff-Luft- Gemisch-Wolke 8. Die Verbrennung erfolgt dabei mit einer sehr schnellen Flammfrontausbreitung, was sich vorteilhaft auf den weiteren Verbrennungsab- lauf auswirkt. Die Flammfrontausbreitung beginnt dabei zentral am kraftstoff- 

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 reichen Zündkern des Zündstrahles 11 und setzt sich mit fortschreitendem Tem- peraturanstieg radial im Zylinderraum 3 fort. 



  Da sich NO und eventuelle Rauchemissionen fast ausschliesslich im Bereich ei- nes annähernd stöchiometrischen Zündkernes bilden, sollte die Menge der Zünd- strahleinspritzung möglichst klein gehalten werden. Gute Emissionswerte lassen sich erreichen, wenn die Zündstrahleinspritzmenge unter 10% der Hauptein- spritzmenge, vorzugsweise 5-10% der Haupteinspritzmenge beträgt. 



  Der Teillastbetrieb erfolgt üblicherweise ungedrosselt. Die Einstellung der Luft- zahl A der Haupteinspritzmenge kann mittels interner oder externer Abgasrück- führung erfolgen. Durch die Menge und die Temperatur des rückgeführten Ab- gases kann darüber hinaus auch die Brenngeschwindigkeit gesteuert werden. 



  Für eine rasche und vollständige Verbrennung ist eine gute Zerstäubung des Zündstrahles von Bedeutung. Die Einspritzung sollte daher mit möglichst hohen Einspritzdrücken erfolgen, welche beispielsweise Speichereinspritzsysteme oder Pumpe-Düse-Systeme bereitstellen können. 



  Wie in den Figuren 1 und 2 angedeutet, kann der Kolbenboden 2a des Kolbens flach ausgeführt sein, wie dies etwa beispielsweise von konventionellen Mehr- strahl-Otto-Brennkraftmaschinen bekannt ist.

Claims (4)

  1. ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zündeinrichtung und zumindest einer in den Zylinderraum mündenden Einspritzeinrichtung, wobei während des Einlasstaktes eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlaufbetrieb und/oder im Teillastbetrieb aufgrund der Haupteinspritzung ein homogenes Kraftstoff- EMI5.1 während des Verdichtungstaktes eine Zündstrahleinspritzung in den Zylin- derraum mit einem zerstäubten Kraftstoffzündstrahl so erfolgt, dass im Be- reich der Zündeinrichtungyein zündfähiges, vorzugsweise stöchiometrisches, Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht und das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch der Haupteinspritzung durch den Zündstrahl entzündet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündstrahleinspritzmenge einen Bruchteil der Haupteinspritzmenge, vor- zugsweise maximal 10% der Haupteinspritzmenge, besonders vorzugsweise etwa 5-10% der Haupteinspritzmenge.beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine bei Teillast ungedrosselt betrieben wird und zumindest im Teillastbetrieb eine Abgasrückführung erfolgt, wobei die Einstellung der Luftzahl # des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Haupteinspritzung durch die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Haupteinspritzung eine Tumble-Ladungsbewe- EMI5.2
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