AT7204U1

AT7204U1 - Verfahren zum betreiben einer direkteinspritzenden diesel-brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT7204U1
Application number: AT0086002U
Authority: AT
Inventors: Franz Dipl Ing Dr Chmela; Janos Dr Csato; Michael Dipl Ing Glensvig; Theodor Dr Sams
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-11-25
Also published as: CN1729354A; WO2004057167A1; CN100404814C; DE10393905B4; AU2003287752A1; DE10393905D2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder (24) hin- und hergehenden Kolben (27), wobei die Brennkraftmaschine so betrieben wird, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bei einer lokalen Temperatur unterhalb der NOx-Bildungstemperatur und mit einem lokalen Luftverhältnis oberhalb der Rußbildungsgrenze erfolgt, wobei die Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich zwischen 50° und 5° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kompressionsphase begonnen wird und Abgas rückgeführt wird, wobei die Abgasrückführrate etwa 50% bis 70% beträgt.Um besonders geringe Stickoxid- und Rußemissionen zu erreichen, ist vorgesehen, dass zumindest ein Kolben (27) mit einer Quetschfläche (34) und einer torusförmigen Kolbenmulde (28) und einer Einschnürung (29) im Übergangsbereich zwischen Quetschfläche (34) und Kolbenmulde (28) bereitgestellt wird, dass bei Aufwärtsbewegung des Kolbens (27) eine von außen nach innen in die Kolbenmulde (28) gerichtete Quetschströmung (43) erzeugt wird, dass der Kraftstoff zumindest überwiegend in die torusförmige Kolbenmulde (28) eingespritzt wird und durch die Quetschströmung (43) entlang der Kolbenmuldenseitenwand (31) und/oder des Kolbenbodens (32) unter zumindest teilweisem Verdampfen transportiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Diesel- Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, wobei die Brennkraftmaschine so betrieben wird, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bei einer lokalen Temperatur unterhalb der NOx-Bildungstemperatur und mit einem lokalen Luftverhältnis oberhalb der Russbildungsgrenze erfolgt, wobei die Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich zwischen 50 und 5 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kompressionsphase begonnen wird und Abgas rückgeführt wird, und wobei die Abgasrückführrate etwa 50% bis 70% beträgt. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Die wichtigsten Bestimmungstücke für den Verbrennungsablauf in einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung sind die Phasenlage des Verbrennungsablaufes bzw. des Verbrennungs- beginnes, die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Zylinderdruckes, sowie der Spitzendruck.

Bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Verbrennung im Wesentlichen durch Selbstzündung einer direkteingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt, werden die Bestimmungstücke massgeblich durch den Einspritzzeitpunkt, durch die Ladungszusammensetzung und durch den Zündverzug festgelegt. Diese Parameter werden ihrerseits durch eine grosse Anzahl von Einflussgrössen be- stimmt, wie zum Beispiel Drehzahl, Kraftstoffmenge, Ansaugtemperatur, Ladedruck, effektives Kompressionsverhältnis, Abgasgehalt der Zylinderladung und Bauteiltemperatur.

Strenge gesetzliche Rahmenbedingungen bewirken, dass bei der Konzeption von Brennverfah- ren immer wieder neue Wege eingeschlagen werden müssen, um bei Dieselbrennkraftmaschinen den Ausstoss an Russpartikeln und an NOx-Emissionen zu verringern.

Es ist bekannt, NOx- und Russemissionen im Abgas zu verringern, indem durch Vorverlegung des Einspritzzeitpunktes der Zündverzug vergrössert wird, so dass die Verbrennung durch Selbst- zündung eines mageren Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt. Eine mögliche Variante wird hier als HCLI-Verfahren (Homogenous Charge Late Injection) bezeichnet. Wenn die Kraftstoffeinspritzung genügend weit vor dem oberen Totpunkt der Kompressionsphase durchgeführt wird, erfolgt eine derartige Gemischbildung, wodurch ein weitgehend vorgemischtes Kraftstoff-Luftgemisch entsteht.

Durch Abgasrückführung kann erreicht werden, dass die Verbrennungstemperatur unterhalb der für die NOx-Entstehung erforderlichen Mindesttemperatur bleibt.

Die US 6,338,245 B1 beschreibt eine nach dem HCLI-Verfahren arbeitende Diesel- Brennkraftmaschine, bei der Verbrennungstemperatur und Zündverzug so eingestellt werden, dass im unteren und mittleren Teillastbereich die Verbrennungstemperatur unter der NOx- Bildungstemperatur und das Luftverhältnis oberhalb des für die Russbildung massgeblichen Wertes liegt. Die Verbrennungstemperatur wird dabei durch Verändern der Abgasrückführrate, der Zünd- verzug durch den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt gesteuert. Bei mittlerer und hoher Last wird die Verbrennungstemperatur soweit abgesenkt, dass sowohl NOx- als auch Russbildung vermindert wird.

Weiters ist es bekannt, Kolben für Diesel-Brennkraftmaschinen mit einer im Wesentlichen to- rusförmigen Kolbenmulde auszubilden. Im Übergangsbereich zwischen Kolbenstirnseite und Kolbenmulde ist dabei eine Einschnürung angeordnet, welche einen relativ engen Überströmquer- schnitt ausbildet. Durch den engen Überströmquerschnitt wird eine hohe Gemischbildungsenergie bereitgestellt, wodurch die Kraftstoffaufbereitung wesentlich verbessert wird. Kolben mit derartigen torusförmigen Kolbenmulden sind etwa aus den Veröffentlichungen EP 0 383 001 A1, DE 1 122 325 AS, AT 380 311 B, DE 21 36 594 A1, DE 974 449 C oder JP 60-206960 A bekannt.

Bei konventionell betriebenen Brennkraftmaschinen ergeben sich mit solchen Kolben folgende vorteilhafte Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine : rauchbegrenzende Volllast kann erhöht werden ; ist möglich hohe Verdichtungen zu realisieren, woraus ein niedrigeres Verbrennungsgeräusch durch kleineren Zündverzug, geringere Kohlenwasserstoff- Emissionen, ein günstigeres Startverhalten des Motors und eine Verbesserung des Wirkungsgra- des der Brennkraftmaschine resultieren ; ergibt sich die Möglichkeit, den Zündzeitpunkt in Richtung spät zu verlegen, ohne wesentlichen Rauch-, Verbrauchs- und HC-Anstieg, durch die Tatsache, dass die Gemischbildungsenergie über einen längeren Zeitraum hoch bleibt.

Diese Möglichkeit bedeutet vor allem eine Absenkung von Stickoxiden, Verbrennungsgeräusch und Zylinderspitzendruck.

Weiters ist aus der Veröffentlichung DE 11 22 325 C1 ein Kolben mit einer Kolbenmulde und einer Einschnürung bekannt, wobei zwischen Quetschfläche und Einschnürung eine Einformung

vorgesehen ist.

Bei nach dem HCLI-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen wurden bisher derartige Kol- benformen mit tiefer, eingeschnürter Kolbenmulde nicht verwendet, da bisher angenommen wurde, dass durch die tiefe Kolbenmulde und die starke Quetschströmung Startfähigkeit und thermody- namischer Wirkungsgrad zu stark verschlechtert werden würden. In der US 6,158,413 A wird daher vorgeschlagen, die Quetschströmung überhaupt zu unterdrücken, wobei ein Kolben mit einer sehr flachen Kolbenmulde verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, das HCLI-Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine derart zu verbessern, dass einerseits Stickoxid- und Russemissionen weiter reduziert werden können und andererseits eine Vergrösserung des im HCLI-Betrieb fahrbaren Lastbereiches erreicht werden kann.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Kolben mit zumindest einer Quetschfläche und einer torusförmigen Kolbenmulde und einer Einschnürung im Übergangsbe- reich zwischen Quetschfläche und Kolbenmulde bereitgestellt wird, dass bei Aufwärtsbewegung des Kolbens eine von aussen nach innen in die Kolbenmulde gerichtete Quetschströmung erzeugt wird, dass der Kraftstoff zumindest überwiegend in die torusförmige Kolbenmulde eingespritzt wird und durch die Quetschströmung entlang der Kolbenmuldenseitenwand und/oder des Kolbenbo- dens unter zumindest teilweisem Verdampfen transportiert wird. Der Kraftstoffstrahl wird dabei in die in die Kolbenmulde einströmende Quetschströmung eingespritzt.

Die Quetschströmung leitet den Grossteil des Kraftstoffes in die Kolbenmulde, wo er verdampft und eine annähernd homogene Vermischung mit der einströmenden Luft erfährt. Die Strömung in der Kolbenmulde hängt davon ab, ob eine drallbehaftete oder dralllose Einlassströmung vorliegt.

So ist in einer erfindungsgemässen Ausführungsvariante vorgesehen, dass eine drallbehaftete Einlassströmung mit einer Drallzahl s 1 im Zylinder erzeugt wird und dass der Kraftstoff durch die Quetschströmung entlang der Kolbenmuldenseitenwand unter zumindest teilweisem Verdampfen in Richtung Kolbenboden und weiter entlang des Kolbenbodens zum Muldenzentrum transportiert wird. Der Drall wird während der Kompressionsphase innerhalb der Kolbenmulde aufrecht gehal- ten.

In einer anderen Ausführung dagegen ist vorgesehen, dass eine dralllose Einlassströmung mit einer Drallzahl < 1 im Zylinder erzeugt wird und dass der Kraftstoff durch die Quetschströmung unter zumindest teilweisem Verdampfen vom Muldenzentrum entlang des Kolbenbodens zur Kolbenmuldenseitenwand und weiter zur Einschnürung transportiert wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die eingezogene Kolbenmulde die Startfä- higkeit bei nach dem HCLI-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen nicht wesentlich ver- schlechtert wird. Die Einbusse an thermodynamischem Wirkungsgrad zu Folge der Quetschströ- mung kann durch die verbesserte Gemischaufbereitung in der Kolbenmulde zu Folge der hohen Turbulenz mehr als wett gemacht werden.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Kraftstoff in Richtung der Einschnürung des Kol- bens gespritzt wird, wobei zu Einspritzbeginn der Schnittpunkt der Strahlachse zumindest eines Einspritzstrahles für einen Grossteil der Kraftstoffmenge in einem Bereich zwischen der Muldensei- tenwand und den Quetschfläche liegt, der einen überhängenden Wandbereich, die Einschnürung sowie einen Einlaufbereich zwischen Quetschfläche und Einschnürung beinhaltet.

Bei konventionellen Diesel-Brennkraftmaschinen wird üblicherweise der Schnittpunkt und der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes so gewählt, dass der Kraftstoff bei Einspritzbeginn - unabhängig von der Belastung - auf den überhängenden Wandbereich unterhalb der Einschnürung auftrifft.

Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schnittpunkt bei niedriger Last auf einen Bereich des überhängenden Wandbereiches innerhalb der Kolbenmulde eingestellt wird, und dass mit ansteigender Last der Schnittpunkt in Richtung der Einschnürung verschoben wird. Dies kann durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunktes erreicht werden. Dadurch wird ein Teil des Kraftstoffes in den Spalt zwischen Kolben und dem Zylinderkopf - entgegen der Quetschströ- mung - eingespritzt. Ein grosser Teil des in den Zwischenraum zwischen Kolbenoberfläche und Zylinderkopf eingespritzten Kraftstoffes wird von der Quetschströmung in die Kolbenmulde mitge- rissen. Dies verbesserte die Luftverteilung und die Gemischaufbereitung unter vorteilhafter Verrin- gerung der HC- und CO-Emissionen.

Die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt sowohl in der Kolbenmulde, als auch im Zwischenraum zwischen der Kolbenoberfläche und dem Zylinder-

kopf.

Da die Brennkraftmaschine mit relativ hohen Abgasrückführraten zwischen 50 und 70 betrie- ben wird, liegt die lokale Verbrennungstemperatur unter der NOx-Bildungstemperatur. Das lokale Luftverhältnis bleibt oberhalb der Russbildungsgrenze. Die Abgasrückführung kann durch externe oder interne Abgasrückführung oder durch eine Kombination von externer und interner Abgasrück- führung mit variabler Ventilsteuerung erreicht werden. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt bei einem Einspritzdruck zwischen 500 und 2500 bar. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt zwischen 10 vor bis 10 Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, wodurch sich ein sehr hoher Wirkungsgrad ein- stellt. Die Brennkraftmaschine wird mit einem globalen Luftverhältnis von etwa 1,0 bis 2,0 betrie- ben.

Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Einspritzeinrichtung zur direkten Kraftstoffeinspritzung, mit einer Abgasrückführeinrichtung und zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, welcher eine ausgeprägte Quetschfläche und eine torusförmige Kolbenmulde aufweist. Der Kolben weist dabei im Über- gangsbereich zwischen den Quetschfläche und der Kolbenmulde eine kreisförmige Einschnürung auf. Dadurch wird einerseits eine ausgeprägte Quetschströmung erzeugt und andererseits erreicht, dass die Strömung mit relativ hoher Geschwindigkeit in die Mulde einströmt. Das relativ hohe Turbulenzniveau innerhalb der Kolbenmulde wirkt sich vorteilhaft auf das Durchbrennverhalten aus, wodurch HC- und CO-Emissionen deutlich verringert werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kolbenmulde so bemessen ist, dass für das Verhältnis grösster Muldendurchmesser DB zu Kolbendurchmesser D gilt: 0,5 < DB/D < 0,7 und wenn die Kolbenmulde so bemessen ist, dass für das Verhältnis grösste Muldentiefe HB zu Kolbendurchmesser D gilt : < HB/D < 0,22.

Dadurch kann die freie Kraftstoffstrahllänge möglichst gross gehalten werden. Zur Ausbildung einer ausgeprägten Quetschströmung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kolbenmulde so bemes- sen ist, dass für das Verhältnis Durchmesser DT der Einschnürung zu grösstem Muldendurchmes- ser DB gilt: 0,7 < DT/DB < 0,95.

Zwischen der Quetschfläche und der Einschnürung ist als Einlaufbereich eine umlaufende ring- förmige Einformung mit einem ebenen Boden und einer zylindrischen Wand angeordnet. Vorzugs- weise ist vorgesehen, dass die Einformung eine Tiefe zwischen 5% und 15% der grössten Mulden- tiefe aufweist, dass die Einformung eine zumindest teilweise zylindrische Wand aufweist und dass die Einformung im Bereich der Wand einen Durchmesser aufweist, der zwischen 10% bis 20% grösser ist als der Durchmesser der Einschnürung. Durch die Einformung wird bei abwärtsgehen- dem Kolben eine Verringerung der radialen Ausströmgeschwindigkeit aus der Kolbenmulde er- reicht. Dadurch werden Kraftstoffanteile nicht entlang der Kolbenstirnseite, sondern in axialer Richtung zum Zylinderkopf geleitet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsge- mässen Verfahrens, Fig. 2a und 2b einen Zylinder dieser Brennkraftmaschine im Längsschnitt, Fig. 3 das Detail 111 aus Fig. 2a und Fig. 4 dieses Detail gemäss dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlasssammler 2 und einem Auslasssamm- ler 3. Die Brennkraftmaschine 1 wird über einen Abgasturbolader 4, welcher eine abgasbetriebene Turbine 5 und einen durch die Turbine 5 angetriebenen Verdichter 6 aufweist, aufgeladen. Strom- aufwärts des Verdichters 6 ist auf der Einlassseite ein Ladeluftkühler 7 angeordnet.

Weiters ist ein Hochdruck-Abgasrückführsystem 8 mit einer ersten Abgasrückführleitung 9 zwi- schen dem Abgasstrang 10 und der Einlassleitung 11 vorgesehen. Das Abgasrückführsystem 8 weist einen Abgasrückführkühler 12 und ein Abgasrückführventil 13 auf. Abhängig von der Druck- differenz zwischen dem Auslassstrang 10 und der Einlassleitung 11kann in der ersten Abgasrück- führleitung 9 auch eine Abgaspumpe 14 vorgesehen sein, um die Abgasrückführrate zu steuern bzw. zu erhöhen.

Neben diesem Hochdruck-Abgasrückführsystem 8 ist ein Niederdruck-Abgasrückführsystem 15 stromabwärts der Turbine 5 und stromaufwärts des Verdichters 6 vorgesehen, wobei in der Abgas- leitung 16 stromabwärts eines Partikelfilters 17 eine zweite Abgasrückführleitung 18 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 6 in die Ansaugleitung 19 einmündet. In der zweiten Abgasrückführ- leitung 18 ist weiters ein Abgasrückführkühler 20 und ein Abgasrückführventil 21 angeordnet. Zur Steuerung der Abgasrückführrate ist in der Abgasleitung 16 stromabwärts der Abzweigung ein

Abgasventil 22 angeordnet.

Stromaufwärts der Abzweigung der ersten Abgasrückführleitung 9 ist im Abgasstrang 10 ein Oxidationskatalysator 23 angeordnet, welcher HC, CO und flüchtige Teile der Partikelemissionen entfernt. Ein Nebeneffekt ist, dass die Abgastemperatur dabei erhöht wird und somit zusätzliche Energie der Turbine 5 zugeführt wird. Prinzipiell kann dabei der Oxidationskatalysator 23 auch stromabwärts der Abzweigung der Abgasrückführleitung 9 angeordnet sein. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung mit der Abzweigung stromabwärts des Oxidationskatalysators 23 hat den Vorteil, dass der Abgaskühler 12 einer geringeren Verschmutzung ausgesetzt ist, aber den Nachteil, dass aufgrund der höheren Abgastemperaturen eine höhere Kühlleistung durch den Abgasrückführküh- ler 12 notwendig wird.

Pro Zylinder 24 weist die Brennkraftmaschine 1 zumindest ein direkt Diesel-Kraftstoff in den Brennraum 26 einspritzendes Einspritzventil 25 auf, dessen Einspritzbeginn in einem Bereich zwischen 50 bis 5 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt verändert werden kann. Der Einspritz- druck sollte dabei zwischen 500 und 2500 bar liegen.

Der im Zylinder 24 hin- und hergehende Kolben 27 weist eine im Wesentlichen rotationssym- metrische torusförmige Kolbenmulde 28 mit einer Einschnürung 29 auf, welche einen überhängen- den Wandbereich 30 ausbildet. Die Seitenwand der Kolbenmulde 28 ist mit 31, der Kolbenboden mit 32, und das erhabene Muldenzentrum mit 44 bezeichnet.

An der Kolbenstirnseite 33 ist ausserhalb der Einschnürung 29 eine Quetschfläche 34 ausgebil- det. Die geometrische Form des Kolbens 27, der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzgeometrie des Einspritzventiles 25 sind so bemessen, dass die Achsen 35 der Einspritzstrahlen auf einen Bereich 36 (Fig. 3) um die Einschnürung 29 zwischen der Seitenwand 31 und der Quetschfläche 34 gerich- tet sind. Der Bereich 36 beinhaltet den überhängenden Wandbereich 30, die Einschnürung 29 selbst, sowie einen durch eine umlaufende ringförmige Einformung 37a gebildeten Einlaufbereich 37 zwischen der Quetschfläche 34 und der Einschnürung 29. Die Einformung 37a weist einen ebenen Boden 37b und eine zylindrische Wand 37c auf, wobei ein Übergangsradius r zwischen etwa 1 mm und 50% der Kolbenmuldentiefe HB ausgebildet ist.

Die Tiefe h der Einformung 37a beträgt etwa 5% bis 15% der grössten Muldentiefe HB. Der Durchmesser D1 der Einformung 37a ist um 10% bis 20% grösser als der Durchmesser DT der Einschnürung 29. Die eigentlichen ersten Schnittpunkte 38 der Achsen 35 der ersten Einspritzstrahlen des Grossteiles der eingespritzten Kraftstoffmenge liegen innerhalb des Bereiches 36 und werden in Abhängigkeit der Last verändert.

Bei niedriger Last liegt der Schnittpunkt 38 im Bereich des überhängenden Wandbereiches 30. Mit Bezugszeichen 39 ist der unterste Schnittpunkt 38 bei sehr niedriger Last angedeutet. Mit anstei- gender Last wird der Schnittpunkt 38 in Richtung der Quetschfläche 34 verschoben, wie in Fig. 3 mit Pfeile P1 angedeutet ist. Bezugszeichen 40 markiert in Fig. 3 die oberste Extremposition für den Schnittpunkt 38. Bei höherer Last wird somit ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes in den Quetschraum 41 zwischen der Quetschfläche 34 und dem Zylinderkopf 42 entgegen der Richtung der Quetschströmung 43 bzw. 43a eingespritzt. In Fig. 2b ist mit Bezugszeichen 43 die Quetsch- strömung bei drallbehafteter Einlassströmung und mit Bezugszeichen 43a die Quetschströmung bei drallloser Einlassströmung eingezeichnet.

Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 27 wan- dert der Schnittpunkt 38 während einer Einspritzung in Richtung der Kolbenmulde 28, wie durch Pfeil P2 angedeutet ist. Die bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 27 durch die Quetschfläche 34 erzeugte Quetschströmung 43,43a bewirkt, dass ein Teil des in den zwischen Kolbenstirnseite 33 und Zylinderkopf 42 ausgebildeten Quetschraum 41 gelangenden Kraftstoffes von der Quetsch- strömung 43,43a in Richtung der Kolbenmulde 28 mitgerissen wird und dort verdampft. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Durchmischung mit der Luft, wodurch einerseits die maximale erreichbare Last im HCLI-Betrieb erhöht und andererseits HC- und CO-Emissionen weiter reduziert werden können. Die Verbrennung findet sowohl innerhalb der Kolbenmulde 28, als auch im Be- reich des Quetschraumes 41 statt.

Durch die Einformung 37a wird bei Abwärtsbewegung des Kolbens 27 die radiale Ausströmge- schwindigkeit wesentlich vermindert, wodurch wesentlich weniger Kraftstoffanteile an die Kolben- oberseite 33 und weiter zur Zylinderwand befördert werden. Dadurch gelangen nur wenige Verbrennungsrückstände in das Motoröl.

Zum Vergleich ist in Fig. 4 der Bereich 36' des ersten Schnittpunktes des Einspritzstrahles zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes einer konventionellen

geschichtet betriebenen Diesel-Brennkraftmaschine dargestellt. Der Bereich 36' des Kraftstoffes bleibt - unabhängig vom Lastzustand - üblicherweise stets im Bereich des überhängenden Wand- bereiches 30. Der Schnittpunkt wird somit nicht verschoben.

Der Beginn der Einspritzung liegt insbesondere im unteren Teillastbereich relativ früh im Kom- pressionstakt, also etwa bei 50 bis 5 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt, wodurch ein langer Zündverzug zur Ausbildung eines teilhomogenen Gemisches für eine vorgemischte Verbrennung zur Verfügung steht. Durch die ausgeprägte Vormischung und Verdünnung können extrem niedrige Russ- und NOx-Emissionswerte erreicht werden. Das lokale Luftverhältnis bleibt dabei stets deutlich über der für die Russentstehung massgeblichen Grenze. Durch eine hohe Abgasrückführrate zwi- schen 50% bis 70% wird erreicht, dass die lokale Verbrennungstemperatur stets unter der minima- len Stickoxidbildungstemperatur bleibt. Die Einspritzung erfolgt dabei bei einem Druck zwischen 500 bis 2500 bar.

Der lange Zündverzug bewirkt, dass die Verbrennungsphase in die wirkungs- gradoptimale Lage um den oberen Totpunkt geschoben wird. Der Verbrennungsschwerpunkt liegt in einem Bereich zwischen etwa 10 Kurbelwinkel vor bis etwa 10 Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Die hohe Abgasrückführrate kann entweder durch externe Abgasrückführung alleine, oder auch durch Kombination externer mit interner Abgasrückführung durch variable Ventilsteuerung erzielt werden. Um eine hohe Turbulenz bei der Gemischbildung zu erreichen, sind drallerzeugende Einlasskanäle zur Generierung einer hohen Drallzahl bis etwa 5 von Vorteil.

Die Kolbenmulde 28 weist einen relativ grossen maximalen Durchmesser DB auf, wobei das Verhältnis DB zu D im Bereich zwischen 0,5 bis 0,7 liegt. Das Verhältnis der maximalen Kolbentiefe HB zum Kolbendurchmesser D beträgt vorteilhafter Weise zwischen 0,12 und 0,22. Dadurch lässt sich eine lange freie Strahllänge erzeugen, was für die Gemischbildung von Vorteil ist. Um eine starke Quetschströmung 43 auszubilden, beträgt das Verhältnis des Durchmessers DT der Ein- schnürung 29 zum maximalen Kolbendurchmesser DB zwischen 0,7 bis 0,95. Dadurch werden hohe Eintrittsgeschwindigkeiten in die Kolbenmulde 28 erreicht, was sich günstig für die Homoge- nisierung des Kraftstoff-Luftgemisches auswirkt.

Die Geometrie der Einspritzstrahlen 35 sowie die Geometrie der Kolbenmulde 28 können für eine konventionelle Diesel-Brennkraftmaschine im Volllastpunkt optimiert werden.

ANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Betreiben einer direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschine mit zumin- dest einem in einem Zylinder (24) hin- und hergehenden Kolben (27), wobei die Brenn- kraftmaschine so betrieben wird, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bei einer lokalen
Temperatur unterhalb der NOx-Bildungstemperatur und mit einem lokalen Luftverhältnis oberhalb der Russbildungsgrenze erfolgt, wobei die Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich zwischen 50 und 5 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kompressionsphase be- gonnen wird und Abgas rückgeführt wird, und wobei die Abgasrückführrate etwa 50% bis
70% beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kolben (27) mit zumindest einer Quetschfläche (34) und einer torusförmigen Kolbenmulde (28) und einer Einschnü- rung (29) im Übergangsbereich zwischen Quetschfläche (34) und Kolbenmulde (28)

be- reitgestellt wird, dass bei Aufwärtsbewegung des Kolbens (27) eine von aussen nach innen in die Kolbenmulde (28) gerichtete Quetschströmung (43) erzeugt wird, dass der Kraftstoff zumindest überwiegend in die torusförmige Kolbenmulde (28) eingespritzt wird und durch die Quetschströmung (43) entlang der Kolbenmuldenseitenwand (31) und/oder des Kol- benbodens (32) unter zumindest teilweisem Verdampfen transportiert wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine drallbehaftete Einlass- strömung mit einer Drallzahl Z 1 im Zylinder (24) erzeugt wird und dass der Kraftstoff durch die Quetschströmung (43) entlang der Kolbenmuldenseitenwand (31) unter zumindest teil- weisem Verdampfen in Richtung Kolbenboden (32) und weiter entlang des Kolbenbodens (32) zum Muldenzentrum (44) transportiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dralllose Einlassströ- mung mit einer Drallzahl < 1 im Zylinder (24) erzeugt wird und dass der Kraftstoff durch die <Desc/Clms Page number 6> Quetschströmung (43) unter zumindest teilweisem Verdampfen vom Muldenzentrum (44) entlang des Kolbenbodens (32) zur Kolbenmuldenseitenwand (31) und weiter zur Ein- schnürung (29) transportiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft- stoff in Richtung der Einschnürung (29) des Kolbens (27) gespritzt wird, wobei zu Ein- spritzbeginn der Schnittpunkt (38) der Strahlachse (35) zumindest eines Einspritzstrahles für einen Grossteil der Kraftstoffmenge in einem Bereich (36) zwischen der Muldenseiten- wand (31 ) und den Quetschfläche (34) liegt, der einen überhängenden Wandbereich (30), die Einschnürung (29) sowie einen Einlaufbereich (37) zwischen Quetschfläche und Ein- schnürung (29) beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (38) bei niedriger Last auf einen Bereich des überhängenden Wandbereiches (30) innerhalb der Kolbenmulde (28) eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit ansteigender Last der Schnittpunkt (38) in Richtung der Einschnürung (29) verschoben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit anstei- gender Last der Beginn der Einspritzung von einem der niedrigen Teillast zugeordneten Bereich von etwa 5 bis 15 vor dem oberen Totpunkt bis zu etwa 50 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt vorverlegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- stoffeinspritzung bei einem Einspritzdruck zwischen 500 bis 2500 bar erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsschwerpunkt in einen Kurbelwinkelbereich zwischen 10 vor dem oberen Totpunkt bis 10 nach dem oberen Totpunkt gelegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das globale Luftverhältnis zwischen 1,0 und 2,0 eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab- gasrückführung extern und/oder intern durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine interne Abgasrückfüh- rung durch Öffnen des Einlassventiles während der Auslassphase und/oder durch Öffnen des Auslassventiles während der Einlassphase durchgeführt wird.

13. Direkteinspritzende Diesel-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit welchem der Beginn der Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich zwischen 50 bis 5 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kompressions- phase einstellbar ist, sowie mit einem Abgasrückführsystem für Abgasrückführraten zwi- schen 50% und 70%, mit zumindest einem in einem Zylinder (24) hin- und hergehenden Kolben (27), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (27) an seiner Stirnseite (33) zumindest eine Quetschfläche (34) und eine torusförmige Kolbenmulde (28) mit einer Ein- schnürung (29), im Wesentlichen konkav gekrümmten Seitenwänden (31) und Boden (32), sowie einem überhängenden Wandbereich (30) zwischen Seitenwänden (31) und Ein- schnürung aufweist, wobei zumindest eine Strahlachse (35)

eines Kraftstoffeinspritzstrah- les der Einspritzeinrichtung (25) für einen Grossteil der Kraftstoffmenge zu Einspritzbeginn auf einen Bereich (36) zwischen der Seitenwand (31) und der Quetschfläche (34) gerichtet ist, welcher Bereich (36) den überhängenden Wandbereich (30), die Einschnürung (29), sowie einen Einlaufbereich (37) zwischen Quetschfläche (34) und Einschnürung (29) bein- haltet.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (38) der zumindest einen Strahlachse (35) des Kraftstoffstrahles zu Einspritzbeginn zu- mindest zwischen dem überhängenden Wandbereich (30) und der Einschnürung (29) vari- ierbar ist.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (28) so bemessen ist, dass für das Verhältnis grössten Mulden- durchmesser (DB) zu Kolbendurchmesser (D) gilt: 0,5 < DB/D < 0,7.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (28) so bemessen ist, dass für das Verhältnis grösste Muldentiefe <Desc/Clms Page number 7> (HB) zu Kolbendurchmesser (D) gilt: 0,12 < HB/D 0,22.

17. Brennkraftmaschine nach einen der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (28) so bemessen ist, dass für das Verhältnis Durchmesser DT der Ein- schnürung (29) zu grösstem Muldendurchmesser DS gilt: 0,7 < DT/DB < 0,95.

18. Brennkraftmaschine nach einen der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbereich (37) durch eine umlaufende ringförmige Einformung (37a) zwischen der Quetschfläche (34) und der Einschnürung (38) aufweist.

19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (37a) einen ebenen, zur Kolbenmulde (28) auslaufenden Boden (37b) aufweist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- formung (37a) eine Tiefe (h) zwischen 5% und 15% der grössten Muldentiefe (HB) aufweist.

21. Brennkraftmaschine nach einen der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (37a) eine zumindest teilweise zylindrische Wand (37c) aufweist.

22. Brennkraftmaschine nach einen der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (37a) im Bereich der Wand (37c) einen Durchmesser D1 aufweist, der zwischen 10% bis 20% grösser ist als der Durchmesser (DT) der Einschnürung (29).

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN