DE10120486B4 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zündeinrichtung und zumindest einer in einen Zylinderraum mündenden Einspritzeinrichtung, wobei während eines Einlasstaktes eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlaufbetrieb und/oder im Teillastbetrieb aufgrund der Haupteinspritzung ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ ≥ 2 im Zylinderraum gebildet wird und während des Verdichtungstaktes eine Zündstrahleinspritzung in den Zylinderraum mit einem zerstäubten Kraftstoffzündstrahl so erfolgt, dass im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht und das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch der Haupteinspritzung durch den Zündstrahl entzündet wird und dass die Brennkraftmaschine bei Teillast ungedrosselt betrieben wird und zumindest im Teillastbetrieb eine Abgasrückführung erfolgt, wobei die Einstellung der Luftzahl λ des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Haupteinspritzung durch die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer in einem Zylinderraum mündenden Zündeinrichtung und zumindest einer in den Zylinderraum mündenden Einspritzeinrichtung, wobei während des Einlasstaktes eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum erfolgt.
  • Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung wird Kraftstoff üblicherweise so in den Brennraum eingespritzt, dass in die Nähe der Zündeinrichtung 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, so dass das reichere Gemisch gezündet werden kann und dennoch ein Betrieb mit einer Luftzahl λ > 1 ermöglicht wird. Durch den hohen Durchbrennungsgrad und die günstigen thermodynamischen Bedingungen zufolge ungedrosselter Einlassströmung ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad und ein niedriger Kraftstoffverbrauch. Es hat sich allerdings in der Praxis gezeigt, dass der tatsächlich erzielbare Kraftstoffverbrauch wesentlich hinter den theoretischen Erwartungen liegt. Ein Grund für diese Diskrepanz ist, dass es bei bekannten wandgeführten Systemen zu relativ großen Wandwärmeverlusten zufolge extremer Vergrößerung der kraftstoffbenetzten Kolbenbodenoberflächen kommt. Weiters spielt der hohe Bedarf an Ladungsbewegungsenergie zufolge Ladungswechselverlusten eine nicht zu unterschätzende Rolle. Bei bekannten bereits in Serie gebauten direkteinspritzenden Otto-Motoren treten darüber hinaus durch den überwiegenden Anteil von annähernd 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 Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, mit welchem ein schirm- bzw. kegelartiger Einspritzstrahl erzeugt wird. Zur Sicherung 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-Gemisch 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.
  • Die US 3,924,598 A offenbart eine Gemisch ansaugende Brennkraftmaschine, bei der während des Einlasstaktes ein Kraftstoff/Luftgemisch einem Zylinder zugeführt wird. Während des Verdichtungstaktes wird etwa 20° vor dem oberen Totpunkt über einen direkt in den Zylinder mündenden Pilot-Injektor Zündkraftstoff in den Zylinder eingespritzt und von einer Zündkerze gezündet. Die durch die Verbrennung des Zündkraftstoffes erzeugte Flamme zündet das Haupt-Kraftstoff/Luftgemisch.
  • Die DE 198 24 915 C1 offenbart eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine, bei der ein Wechsel zwischen einer Betriebsart mit Schichtladungsbetrieb mit später Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionstaktes und magerer Gemischbildung und einer Betriebart mit homogener Gemischbildung durch Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugtaktes, welche für höhere Lastbereiche vorgesehen ist, möglich ist. Eine Zündstrahleinspritzung ist nicht vorgesehen.
  • Die DE 43 17 660 C1 beschreibt eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder geregelt mit Abgasmengen von Zylindern geschichtet befüllt werden, deren Kolben auf den Kurbelzapfen gleicher Kurbelwinkelkröpfungen angeordnet sind. Über die Menge des zugeführten Abgases wird die Luftzahl geregelt.
  • Aus der EP 0 928 887 A2 ist eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine bekannt, bei der Kraftstoff während des Kompressionstaktes in den Zylinder eingespritzt wird, während eine Tumble-Strömung im Brennraum erzeugt wird. Auch die DE 199 47 342 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der eine Tumble-Strömung erzeugt wird.
  • Der US 3 696 798 A ist ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zündeinrichtung und zumindest einer in den Zylinderraum mündenden Einspritzeinrichtung mit Abgasrückführung zu entnehmen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem bei direkteinspritzenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen verbessert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Leerlaufbetrieb und/oder im Teillastbetrieb aufgrund der Haupteinspritzung ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ ≥ 2 im Zylinderraum gebildet wird und während des Verdichtungstaktes eine Zündstrahleinspritzung in den Zylinderraum mit einem zerstäubten Kraftstoffzündstrahl so erfolgt, dass im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges, vorzugsweise stöchiometrisches, Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht und das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch der Haupteinspritzung durch den Zündstrahl entzündet wird und dass die Brennkraftmaschine bei Teillast ungedrosselt betrieben wird und zumindest im Teillastbetrieb eine Abgasrückführung erfolgt, wobei die Einstellung der Luftzahl λ des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Haupteinspritzung durch die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt wird. Im Leerlauf- und Teillastbereich wird somit ein zu einem frühen Zeitpunkt eingebrachtes homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ ≥ 2 durch einen möglichst gut zerstäubten Zündstrahl zur Entflammung gebracht.
  • Der Verbrennungsablauf erfolgt dabei ähnlich einer ottomotorischen Verbrennung, allerdings mit einer relativ schnellen Flammfrontausbreitung, die zentral am kraftstoffreichen Zündkern beginnt und sich mit fortschreitendem Temperaturanstieg nach außen ausbreitet.
  • Besonders niedrige Stickoxidemissionen und Rauchgaswerte lassen sich erreichen, wenn die Zündstrahleinspritzmenge einen Bruchteil der Haupteinspritzmenge, vorzugsweise maximal 10% der Haupteinspritzmenge, besonders vorzugsweise etwa 5–10% der Haupteinspritzmenge beträgt. Da NOx- bzw. Rauchemissionen sich fast ausschließlich im Bereich des annähernd stöchiometrischen Zündkernes bilden und dieser durch die geringe Kraftstoffmenge der Zündstrahleinspritzung sehr klein gehalten wird, lässt sich gegenüber konventionellen direkteinspritzenden Otto-Motoren eine drastische Verbesserung der Abgasqualität erreichen.
  • Die Einstellung der Luftzahl λ des aufgrund der Hauptspritzung eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches 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.
  • Um eine gleichmäßige Homogenisierung des während der Haupteinspritzung eingebrachten Kraftstoffes zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest während der Haupteinspritzung eine Tumble-Ladungsbewegung im Zylinderraum erzeugt wird. Als Tumble-Strömung wird eine Walzenströmung im Zylinderraum 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
  • 1 einen Schnitt durch einen Zylinder einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine während der Einlassphase und
  • 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 angeordnete 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, Einspritzeinrichtungen 5, Einlassventilen 6 und Auslassventilen 7 eingesetzt werden.
  • Die Einspritzeinrichtung 5 ist bevorzugt als Einlochdüse ausgeführt, deren Düsenöffnung auf die Zündeinrichtung 4 gerichtet ist.
  • Während des in 1 dargestellten Einlasstaktes, bei dem das Einlassventil 6 geöffnet ist, wird über die Einspritzeinrichtung 5 eine Haupteinspritzung durchgeführt. Durch den Tumble-erzeugend ausgebildeten Einlasskanal 6 wird dem Kraftstoff-Luft-Gemisch 8 aus der Haupteinspritzung eine Tumble-Bewegung aufgezwungen, welche mit dem Pfeil 9 angedeutet ist. Die Tumble-Bewegung fördert die Gemischbildung in der Phase der Haupteinspritzung, sodass das Kraftstoff-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 Luftzahl λ ≥ 2 auf. Mit dem Pfeil 10 ist die Bewegungsrichtung des Kolbens angedeutet.
  • Während der in 2 dargestellten Kompressionsphase erfolgt eine Zündstrahleinspritzung, wobei durch die Einspritzeinrichtung 5 ein gut zerstäubter Zündstrahl 11 mit einer Luftzahl von λ ~ 1 in Richtung der Zündeinrichtung 4 eingespritzt 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 kraftstoffreichen Zündkern des Zündstrahles 11 und setzt sich mit fortschreitendem Temperaturanstieg radial im Zylinderraum 3 fort.
  • Da sich NOx- und eventuelle Rauchemissionen fast ausschließlich im Bereich eines annähernd stöchiometrischen Zündkernes bilden, sollte die Menge der Zündstrahleinspritzung möglichst klein gehalten werden. Gute Emissionswerte lassen sich erreichen, wenn die Zündstrahleinspritzmenge unter 10% der Haupteinspritzmenge, vorzugsweise 5–10% der Haupteinspritzmenge beträgt.
  • Der Teillastbetrieb erfolgt üblicherweise ungedrosselt. Die Einstellung der Luftzahl λ der Haupteinspritzmenge kann mittels interner oder externer Abgasrückführung erfolgen. Durch die Menge und die Temperatur des rückgeführten Abgases 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 1 und 2 angedeutet, kann der Kolbenboden 2a des Kolbens flach ausgeführt sein, wie dies etwa beispielsweise von konventionellen Mehrstrahl-Otto-Brennkraftmaschinen bekannt ist.

Claims (4)

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