DE102004043872A1

DE102004043872A1 - Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit Benzin oder Dieselkraftstoff

Info

Publication number: DE102004043872A1
Application number: DE102004043872A
Authority: DE
Inventors: Gernot Wuerfel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Eine Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit Benzin oder Dieselkraftstoff besitzt eine Zündvorrichtung (14) und eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (13). In die Kolben (11) der Brennkraftmaschine ist jeweils eine Brennraummulde (12) eingearbeitet. DOLLAR A Eine wesentliche Besonderheit besteht darin, dass für beide Brennverfahren (Benzin- wie Dieselbetrieb) eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (13) zum Einsatz kommt, die Mehrloch-Einspritzventile oder außenöffnende Kegelstrahlventile mit kegelförmigem Strahlbild und Strahlöffnungswinkeln zwischen 70 DEG und 150 DEG aufweist, und dass der Motorbetrieb bei Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten und bei Diesel-Direkteinspritzung nach dem luftverteilten Brennverfahren erfolgt. DOLLAR A Eine derartig konzipierte Kolbenbrennkraftmaschine ermöglicht vorteilhafterweise einen Betrieb (auch) mit beliebigen Benzin-Dieselkraftstoff-Gemischverhältnissen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

So genannte Vielstoffmotoren sind bekannt. Sie wurden insbesondere für militärische Zwecke eingesetzt. Man hat die in Rede stehenden Motoren als Dieselmotoren konzipiert und mit zusätzlichen Zündeinrichtungen für den Benzinbetrieb versehen (MAN: M-Verfahren, FM-Verfahren). Wesentlicher Nachteil der bekannten Motorenkonzeption ist ein wandauftragendes Brennverfahren mit hohem Kraftstoffverbrauch und hoher Rußemission.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, die – unter Vermeidung der vorgenannten Unzulänglichkeiten – nicht nur wahlweise mit Benzin oder Dieselkraftstoff, sondern auch mit einem Gemisch aus beiden Kraftstoffkomponenten, und zwar in beliebigen Mischungsverhältnissen, betrieben werden kann.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Kolbenbrennkraftmaschine der eingangs bezeichneten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung vermeidet die oben angegebenen Nachteile bekannter für den bivalenten Betrieb mit Benzin und Dieselkraftstoff konzipierter Motoren und ermöglicht vorteilhafterweise ein vergleichsweise niedriges, geometrisches Kompressionsverhältnis von 14 zu 1, womit die Brennkraftmaschine im thermodynamisch optimalen Bereich arbeitet. Denn die von ihr zu leistende Kompressionsarbeit ist im Verhältnis zu herkömmlichen Dieselmotoren gering.

Es können aber auch noch niedrigere geometrische Kompressionsverhältnisse gewählt werden.

Im (reinen) Benzinbetrieb kann Klopfen durch Einspritzung in die späte Kompressionsphase verhindert werden.

Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen die betreffende Kolbenbrennkraftmaschine mit einer beliebigen Mischung der Kraftstoffkomponenten Benzin und Dieselkraftstoff betrieben werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung können (auch) den Patentansprüchen 2, 3 und 5 bis 14 entnommen werden.

Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht, die im Folgenden detailliert beschrieben werden. Es zeigen:
1 – im vertikalen Längsschnitt – eine Ausführungsform einer einzylindrischen Kolbenbrennkraftmaschine, die für Zweistoffbetrieb-Direkteinspritzung Benzin/Dieselkraftstoff ausgelegt ist,
2–4 – jeweils in Diagrammdarstellung – den Druckverlauf im Brennraum eines Zylinders einer entsprechend 1 konzipierten Brennkraftmaschine, aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel,
5–7 – jeweils in Diagrammdarstellung und in Abhängigkeit von verschiedenen Zündwinkeln der Kurbelwelle – im Abgas einer Brennkraftmaschine entsprechend 1 enthaltene Schadstoff-Konzentrationen (5 und 6) bzw. Partikelemissionen (7), und
8–11 – jeweils in Blockbilddarstellung – verschiedene Möglichkeiten einer zeitlichen Zuordnung von Zündung und Kraftstoffeinspritzung mit zusätzlicher Voreinspritzung bei einer Brennkraftmaschine entsprechend 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 bezeichnet 10 den Zylinderkopf und 11 den Kolben mit Brennraum 12 eines Einzylindermotors, der für einen Zweistoffbetrieb mit Direkteinspritzung Benzin/Dieselkraftstoff ausgelegt ist. Im Zylinderkopf 10 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (Injektor) 13 und eine Zündvorrichtung 14 angeordnet. Bei der Zündvorrichtung 14 handelt es sich vorliegend um eine Zündkerze mit in unmittelbarer Nähe eines mit 15 bezifferten Düsenaustritts der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 13 angeordneter Elektrode 16.
Alternativ zu der Zündkerze 14 kann aber als Zündvorrichtung auch eine Glühzündungseinrichtung verwendet werden, deren elektrische Energiezufuhr in Abhängigkeit von der Motorlast steuerbar sein sollte. Bei höherer Motorlast sinkt der Bedarf an elektrischer Energie.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 13 weist ein Mehrloch-Einspritzventil (nicht gezeigt) mit kegelförmigem Strahlbild und Strahlöffnungswinkeln zwischen 70° und 150° auf.
Der Motorbetrieb erfolgt bei Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten und bei Diesel-Direkteinspritzung nach dem luftverteilten Brennverfahren.
Das Kompressionsverhältnis in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine soll 14 zu 1 oder im Wesentlichen 14 zu 1 betragen.
Für den laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors werden folgende Grund-Betriebsarten unterschieden: Benzinbetrieb, Betrieb mit Dieselkraftstoff und Betrieb mit einem Gemisch Benzin/Dieselkraftstoff. Bei diesen Grundbetriebsarten ist jeweils noch zu differenzieren nach Leerlauf, Teillast und Volllast.
1. Benzinbetrieb mit Fremdzündung bei Leerlauf bis oberer Teillast
Die Einspritzung des Benzins wird hier in der Regel während des Verdichtungshubes erfolgen. Es liegt dann ein Schichtladebetrieb vor, der vom Leerlauf bis zur Volllast (Gemischverhältnis Lambda gleich oder auch kleiner 1) aufrecht erhalten werden kann. Der Betrieb des Motors erfolgt normalerweise qualitätsgesteuert wie beim Dieselmotor mit oder ohne Abgasführung.
Für Sonderfunktionen (Tankentlüftung, NOx-Katalysator-Ausräumen) kann das Benzin auch homogen während der Ansaugphase eingespritzt werden, jedoch nicht bei Volllast bzw. im oberen Teillastbereich, da sonst Klopfgefahr besteht. Normalerweise genügt die Einspritzung ausschließlich im Schichtbetrieb, da das Brennverfahren in allen Bereichen sehr gut schichtfähig ist. In diesen Fällen muss die Drosselklappe kurzzeitig angelegt werden, um das gewünschte Gemischverhältnis zu erzeugen.
Der Verlauf des Druckes im Brennraum 12 entspricht dem typischen Verlauf für den Schichtladebetrieb, wie er in 2 dargestellt ist. In 2 (wie auch in 3 und 4) markieren 17 den Zündzeitpunkt (mit Voreinspritzung) und 18 den oberen Totpunkt des Kolbens (z. B. 11 in 1). Der Zündzeitpunkt ohne Voreinspritzung ist in
2–4 durch eine mit 17a bezifferte Linie angedeutet.
2. Benzinbetrieb bei Volllast
Im Volllastbereich können die thermischen Randbedingungen, wie hohe Verbrennungsdrücke und hohe Verbrennungstemperaturen, auch beim Betrieb mit Benzin Selbstzündungseigenschaften bewirken. Hierbei erhält man, wie beim herkömmlichen Dieselmotor, einen sehr steilen Verbrennungsdruckgradienten, der, wie beim Dieselmotor, mit Hilfe einer geringen Voreinspritzmenge gesenkt werden kann, so dass auf diese Weise das Verbrennungsgeräusch und die Motorbelastung reduziert werden. In diesem Fall muss die Entflammung der Voreinspritzmenge mit einer Funkenzündung eingeleitet werden. Der Zündfunke sollte während des Schließens des Einspritzventils nach der Voreinspritzung anliegen. Es schadet aber auch nicht, wenn er über die Dauer der gesamten Verbrennungsphase anliegt.
Es ist auch möglich, den Zündfunken zweimal abzusetzen, und zwar 1. beim Schließen des Ventils nach der Voreinspritzung und 2. beim Schließen des Injektors (13, 1) nach der Haupteinspritzung. Es ist auch möglich, die Voreinspritzung in die Funkendauer sozusagen „einzubetten", d. h.: Zündungsbeginn – Voreinspritzungsbeginn – Voreinspritzungsende – Zündungsende (s. 9). Der zugehörige, aus 4 ersichtliche Verbrennungsdruckverlauf gleicht dem Verbrennungsdruckverlauf eines Motors im Dieselbetrieb bei höherer Last. Hierbei zeigt die in durchgezogener Linie gezeichnete Kurve 19 den Druckverlauf ohne Voreinspritzung. Die durch die Voreinspritzung bewirkte Modifizierung der Kurve 19 ist durch eine gestrichelte Linie 20 angedeutet.
3. Betrieb mit Dieselkraftstoff im Leerlauf und bei unterer Teillast
Im Niedriglastbetrieb bzw. während der Kaltstartphase herrschen aufgrund des niedrigeren Kompressionsverhältnisses von 14 zu 1 noch keine Bedingungen vor, die zur Selbstzündung des Dieselkraftstoffs führen. D. h. der Motor muss auch bei Betrieb mit Dieselkraftstoff fremdgezündet werden.
Stichversuche (vgl. 5–7) haben gezeigt, dass ein solcher Betrieb mit sehr hoher Brennstabilität möglich ist. In 5–7 wurden die in durchgezogenen Linien gezeichneten Kurven 21, 22, 23 jeweils bei Motorbetrieb mit Dieselkraftstoff und die gestrichelten Kurven 24, 25, 26 jeweils bei Motorbetrieb mit Benzin ermittelt. Aus 5 ist zu erkennen, dass die HC-Konzentration im Abgas bei Dieselbetrieb (Kurve 21) geringer ist als bei Benzinbetrieb (Kurve 24). Dies macht deutlich, dass die Zündwilligkeit von Dieselkraftstoff besser ist als die von Benzin. D. h. Die Entflammung erfolgt auch mit Funkenzündung deutlich robuster als bei Benzinbetrieb.
Die Kurven nach 5–7 wurden bei einem Raildruck von 120 bar, also auf einem für Dieselverhältnisse vergleichsweise niedrigen Raildruckniveau, ermittelt. Aus 7 ist erkennbar, dass sich die Rußemission für den Dieselbetrieb in Grenzen hält (s. Kurve 23). Dass dennoch mehr Ruß emittiert wird als beim Benzinbetrieb (vgl. Kurve 26) ist durch Stoffeigenschaften des Dieselkraftstoffs bzw. durch den für Dieselbetrieb sehr niedrigen Einspritzdruck bedingt.
Die Voraussetzungen für das Gelingen einer vollständigen Verbrennung sind dieselben wie bei der Benzin-Direkteinspritzung mit dem strahlgeführten Brennverfahren: Der Einspritzstrahl (z. B. des Injektors 13 in 1) sollte kegelmantelförmig gestaltet sein, mit einem ausgeschnittenen Segment von ca. 40° bis 60° für die Zündkerze (14). Bei Mehrlochventilen sollten sich die Einspritzstrahlkeulen berühren, um Magerbrücken zwischen den einzelnen Strahlen zu verhindern. Es können auch außen öffnende Kegelstrahldüsen eingesetzt werden. Gegenüber der Zündkerze (14) kann aus Kostengründen beim Einsatz von Mehrlochventilen wiederum eine Strahllücke erzeugt werden, damit weniger Einspritzlöcher gebohrt werden müssen. Auf diese Weise kommt, wie beim Benzinbetrieb, auch beim Betrieb mit Dieselkraftstoff eine sehr stabile Verbrennung zustande.
Die Verbrennung kann, falls notwendig (abhängig von der Lochgestaltung des Mehrlochventils), mit Drall- und/oder Tumbleströmung unterstützt werden. Die Mehrlochventile sollten mindestens sechs bis zwölf Spritzlöcher aufweisen.
Der Verbrennungsdruckverlauf im Leerlauf und bei unterer Teillast entspricht dem Druckverlauf mit Benzinbetrieb in diesem Lastbereich (vgl. 2). Da die thermischen Randbedingungen durch die Motorbelastung für einen Selbstzündungsbetrieb noch nicht ausreichen, wird die Verbrennung (auch) des Dieselkraftstoff-Luft-Gemischs ausschließlich über die Fremdzündung (Funkenzündung) eingeleitet. Damit ergeben sich – wie in 2 veranschaulicht – nahezu identische Verbrennungsdruckverläufe für Benzin- und Dieselbetrieb.
4. Betrieb mit Dieselkraftstoff bei mittlerer Teillast
In diesem Kennfeldbereich erfolgt der Übergang von der Fremdzündung zur Selbstzündung. Die Verbrennungseigenwärme im Zylinder steigt an, so dass Teile des eingespritzten Dieselkraftstoffs sich selbst entzünden und ihre benachbarten Kraftstofftröpfchen aufheizen. Dies geschieht aber nur partiell. Deshalb wird die Zündkerze (14) weiterhin benötigt, weil durch den heißen Zündfunken die unmittelbare Umgebung aufgeheizt und der Zündverzug verkürzt wird.
In diesem Lastbereich erfüllt die Zündung die Funktion einer Voreinspritzung mit Dieselkraftstoff: Durch die Überbrückung des Zündverzugs, bis die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffs eintritt, erfolgt bereits eine Verbrennungsreaktion des Gemischs in der Nähe der Zündkerze (14) durch den heißen Zündfunken, die einen stetigen Druckanstieg mit einem relativ niedrigen Druckgradienten zur Folge hat, so dass durch diese Maßnahme das Verbrennungsgeräusch für einen begrenzten Lastbereich wirksam reduziert werden kann.
Die im Vorstehenden geschilderten Vorgänge sind in 3 veranschaulicht. Hierbei stellt die durchgehend in ausgezogener Linie gezeichnete Kurve 19 den Druckverlauf ohne Fremdzündung dar. (Das Bezugszeichen 17a markiert den Selbstzündungspunkt.) Wird nun in der oben beschriebenen Weise (vorab) eine Fremdzündung vorgenommen – das Bezugszeichen 17 markiert den Fremdzündungspunkt –, so wird die Kurve 19 durch einen gestrichelt dargestellten Kurvenabschnitt 27 verändert (modifiziert).
Bei weiter ansteigender Last wird, wie beim herkömmlichen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, vor der Haupteinspritzung eine geringe Voreinspritzmenge abgesetzt. Diese Voreinspritzmenge wird zur Verkürzung des Zündverzugs mit der Funkenzündung gezündet. Der Zündzeitpunkt sollte dabei so auf die Voreinspritzung abgestimmt sein, dass gegen Ende derselben die Zündung der Voreinspritzmenge erfolgt. Diese zeitliche Zuordnung von Voreinspritzung und deren Zündung illustriert 8. Hierbei stellt das schraffierte Kästchen die Dauer der Voreinspritzung mit Beginn 28 und Ende 29 dar, während das größere, unschraffierte Kästchen den Fremdzündungsvorgang mit Beginn 30 und Ende 31 symbolisiert. Der (zeitlich deutlich längere) Vorgang der Haupteinspritzung mit Beginn 32 und Ende 33 wird durch das langgestreckte Kästchen symbolisiert.
Bei sehr kleiner Voreinspritzmenge sollte die Einspritzung komplett während der Zündphase erfolgen, d. h. die Einspritzzeit ist dann kleiner als die Funkendauer und liegt innerhalb der Funkendauer. Eine derartige zeitliche Zuordnung von Zünddauer und Dauer der Voreinspritzung veranschaulicht 9. (Die Bedeutung der dort verwendeten Symbole und Bezugszeichen entspricht derjenigen in 8.)
Dank der Sprays mit Zündkerzenlücke ist eine solche Vorgehensweise ohne weiteres möglich.
Alternativ kann auch mit einem zweiten Zündfunken, der gegen Ende der Dauer der Haupteinspritzung abgesetzt wird, die Entflammung weiter unterstützt werden, falls dies erforderlich sein sollte. Eine solche Vorgehensweise ist aus 10 ersichtlich. Hier gleicht zunächst die zeitliche Zuordnung von Voreinspritzung und einer ersten Zündung der Ausführungsform nach 8, so dass diesbezüglich das dort Gesagte entsprechend gilt. Eine zweite Zündung mit Beginn 34 während der zweiten Hälfte der Haupteinspritzung (32–33) und Ende 35 nach abgeschlossener Haupteinspritzung wird durch ein entsprechendes unschraffiertes Kästchen symbolisiert. Die Gestaltung des Motorbetriebs ähnelt insoweit dem Benzinbetrieb (s.o. 2.). Die Wirkkette ist dann folgende: Mit dem Zündfunken (30–31) wird die Voreinspritzmenge (28–29) angezündet. Diese wiederum verkürzt den Zündverzug für die Haupteinspritzung (32–33) bzw. reduziert durch den früheren Verbrennungsdruckanstieg (vgl. 3) das Verbrennungsgeräusch der Haupteinspritzung.
5. Betrieb mit Dieselkraftstoff bei oberer Teillast und Volllast
Hier überwiegt aufgrund der höheren Eigenwärme die Selbstzündung des Kraftstoffs. In diesem Fall genügt eine konventionelle Voreinspritzung, wie sie vom herkömmlichen direkt einspritzenden Dieselmotor her bekannt ist. Eine derartige zeitliche Zuordnung von Voreinspritzung 28–29, Haupteinspritzung 32–33 und (Selbst-)Zündung 36–37 geht aus 11 hervor. Eine (eventuelle) Funkenzündung kann mitlaufen, besitzt aber keine besondere Funktion.
6. Mischbetrieb mit Benzin und Dieselkraftstoff bei Leerlauf und Teillast
In diesem Lastbereich muss in jedem Fall mit Fremd- bzw. Funkenzündung gefahren werden. Im Vergleich zum ausschließlichen Benzinbetrieb oder Dieselbetrieb ergeben sich hier keine Unterschiede in der Betriebsführung des Motors (s. auch oben, 3.). Diese Aussage gilt für beliebige Mischungsverhältnisse.
7. Mischbetrieb mit Benzin und Dieselkraftstoff bei höherer Teillast und Volllast
Sind die Randbedingungen für die Selbstzündung vorhanden, so übernimmt der Anteil des Dieselkraftstoffs bei überwiegendem Benzinanteil die Funktion der Zündkerze. Die Funkenzündung kann aktiviert bleiben, stört aber nicht den Verbrennungsablauf. Steigt der Dieselanteil, so muss die Voreinspritzung aktiviert werden, weil der Dieselkraftstoffanteil für die Selbstzündung überwiegt. Sind die Randbedingungen für eine Selbstzündung nicht gegeben, z. B. beim Kaltstart und Warmlauf, so muss aus Gründen der Entflammungssicherheit und zur Vermeidung eines zu langen Zündverzugs der Voreinspritzmenge die Funkenzündung während der Phase der Voreinspritzung und evtl. der Haupteinspritzung stattfinden.
Die Frage, wann die Voreinspritzung aktiviert werden sollte, hängt direkt vom Mischungsverhältnis zwischen Benzin und Dieselkraftstoff ab. Dazu wird ein kapazitiver (variable Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses der beiden Kraftstoffanteile) Kraftstoffsensor benötigt, der beispielsweise zwischen Hochdruckpumpe und Rail montiert werden kann. Bei Pumpe-Düse-Systemen müsste ein Kraftstoffsensor in der Zulaufleitung im Zylinderkopf eingebaut werden. Über ein abgelegtes Kennfeld für das Mischungsverhältnis kann dann bei Bedarf ab einem bestimmten Dieselanteil die Voreinspritzung initialisiert werden. Die Voreinspritzmenge entspricht derjenigen eines herkömmlichen Dieselmotors.
Eine genauere Auslösung der Voreinspritzung kann mit Hilfe eines Brennraumdrucksensors oder Klopfsensors ermittelt werden, die den Verbrennungsdruckgradienten bzw. das Verbrennungsgeräusch sensieren. Über Kennfeldschwellwerte für Last und Drehzahl und das Kraftstoffmischungsverhältnis kann die Voreinspritzung beim Übergang auf höhere Benzinanteile bzw. niedrigere Lastbereiche wieder deaktiviert werden.
In der Praxis wird sich aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Benzin und Dieselkraftstoff im Tank eine Kraftstoffentmischung ergeben, so dass lediglich zeitlich begrenzte Übergangsphasen auftreten werden, in denen tatsächlich eine Kraftstoffmischung vorliegt, z. B. nach jedem neuen Tankvorgang, bei dem die Kraftstoffsorte gewechselt wurde. Die Funkenzündung kann auf Dauer aktiviert bleiben, da der Zündfunke in keiner Weise die Dieselverbrennung beeinträchtigt.
Volllastgrenze ist beim Dieselbetrieb die Rußgrenze, beim Benzinbetrieb das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis.
Zusammenfassend lässt sich resümieren, dass die Erfindung eine problemlose Eignung einer gegebenen Motorhardware, einschließlich Einspritzventil und Zündkerze (vgl. 1), – wahlweise – für einen reinen Betrieb mit Benzin oder Dieselkraftstoff oder für einen Betrieb mit einem beliebigen Mischungsverhältnis aus beiden Kraftstoffarten ermöglicht.
Mit vergleichsweise geringfügigen Erweiterungen in der Motorsteuerungssoftware im Hinblick auf dieselrelevante Funktionen, wie beispielsweise die Voreinspritzung, kann somit ein preisgünstiger Universalmotor realisiert werden, der beide Kraftstoffsorten problemlos, sparsam und schadstoffarm verarbeitet.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, wird diese hohe Kraftstoffflexibilität dadurch ermöglicht, dass mit Hilfe einer Funkenzündung und entsprechend ausgelegten Injektoren mit nahezu geschlossenem kegelmantelförmigem Einspritzstrahl (mit Aussparung für die Zündkerze) neben Benzin-Luft-Gemischen auch Dieselkraftstoff-Luft-Gemische bzw. Kraftstoff-Luft-Gemische mit beliebigem Mischungsverhältnis von Benzin und Dieselkraftstoff sicher und zuverlässig gezündet und entflammt werden können. Dadurch ist es möglich, das (geometrische) Kompressionsverhältnis des Motors von ca. 19 (derzeitige Motorengeneration) auf ein verbrauchsoptimales Kompressionsverhältnis von nur 14 abzusenken. Aufgrund des abgesenkten Kompressionsverhältnisses arbeitet der Motor auch mit Dieselkraftstoff in der Kaltstart- und Warmlaufphase einwandfrei und aufgrund der Funkenzündung sehr geräuscharm.
Im Vergleich zum herkömmlichen Dieselmotor, der ausschließlich mit Selbstzündung arbeitet, steigen zwar in den unteren Lastbereichen die HC-Emissionen an (vgl. 5). Diese liegen aber immer noch unterhalb der Werte für den Benzinbetrieb und können ohne zusätzlichen Aufwand problemlos über den Katalysator abgebaut werden. In den höheren Lastbereichen befinden sich die HC-Emissionen für den Betrieb mit beiden Kraftstoffen ungefähr auf dem Niveau aktueller Dieselmotoren.
Die Absenkung des Verdichtungsverhältnisses reduziert den Kompressionsgegendruck. Dadurch sinkt auch der maximale Systemdruckbedarf für die Direkteinspritzung von Dieselkraftstoff.
Nach bisherigem Wissensstand besitzen die beiden Brennverfahren (Dieseldirekteinspritzung und strahlgeführte Benzin-Direkteinspritzung) das höchste Verbrauchseinsparungspotential. Mit der vorgelegten Erfindung, die im Kern die fremdgezündete Dieselverbrennung sowie die Zündstrategie mit Voreinspritzung beinhaltet, können beide Brennverfahren bzw. die Verbrennung von Benzin und Dieselkraftstoff mit beliebigem Mischungsverhältnis in einem einzigen Motor mit optimalen thermodynamischen Eigenschaften kombiniert werden.
Verglichen mit einem herkömmlichen Dieselmotor handelt es sich um einen ebenfalls direkteinspritzenden Motor, der außer mit Dieselkraftstoff auch noch mit Benzin gefahren werden kann und im Benzinbetrieb eine deutlich höhere Leistung erreicht als im Dieselbetrieb, weil aufgrund der Verbrennungseigenschaften des Benzins der Motor mit höheren Drehzahlen bis Lambda gleich 1 und fetter gefahren werden kann (ca. 6.000 U/min statt ca. 4.500 U/min). Wird im Abgasstrang ein Partikelfilter eingesetzt, so kann dieses in der Betriebsphase mit Benzin abgereinigt werden. Dazu wird der Motor auf einen Lambda-Wert von ungefähr 1,1 eingeregelt, weil bei dieser Gemischzusammensetzung die Abgastemperatur am höchsten und bereits Sauerstoff im Abgas für die Verbrennung vorhanden ist. Mit Hilfe dieser Maßnahme können die angelagerten Rußteilchen im Partikelfilter verbrannt werden.
Die Montage eines kleinen Zusatztanks für Benzin ermöglicht bei Betrieb mit Dieselkraftstoff durch kurzzeitige Umschaltung auf Benzinbetrieb erweiterte Abgasreinigungsmaßnahmen, und zwar:

1. Entstickung des NOx-Speicherkatalysators durch kurzzeitiges Anfetten. Mit Dieselkraftstoff kann der Motor wegen der Rußgrenze nur bis ca. Lambda gleich 1,2 angefettet werden, daher die Umschaltung auf Benzinbetrieb.
2. Wie bereits erwähnt, kann durch den rußärmeren Benzinbetrieb ein eventuell vorhandenes Partikelfilter vorübergehend thermisch gereinigt werden, bevor wieder auf reinen Dieselbetrieb umgeschaltet wird.
3. Im Benzinbetrieb kann vom Motor eine höhere Leistung bei gleichzeitiger stöchiometrischer Abgasentgiftung abgerufen werden. Bei entsprechender Leistungsanforderung des Fahrers wird kurzzeitig auf die Kraftstoffversorgung des Zusatztanks umgeschaltet, solange der erhöhte Leistungsbedarf besteht (z. B. Beschleunigung, Überholvorgang). Bei unterstöchiometrischem Benzin-Luft-Gemisch könnte in dieser Zeit der NOx-Katalysator gesäubert werden.

Die vorgeschlagene Erfindung lässt sich ohne Weiteres auf einen Betrieb mit Flüssiggasen ausdehnen.
Die in den gesamten vorangehenden Ausführungen vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Maßnahmen eröffnen grundsätzlich auch die Möglichkeit, über den Einsatz einer Funkenzündung eine homogene Dieselverbrennung durchzuführen (Fremdzündung). Dazu stehen zwei Alternativen zur Verfügung, die vom Gemischverhältnis des homogen erzeugten Grundgemischs abhängig sind, wobei das homogen erzeugte Grundgemisch in beiden Fällen durch die Einspritzung einer Teilmenge während der Ansaugphase entsteht:

1. Relativ fettes homogenes Grundgemisch (ca. 0,7 bis 0,9 kleiner Lambda kleiner ca. 1,2 bis 1,5). Die gesamte Kraftstoffmenge wird während der Ansaugphase eingespritzt. Ein solches Gemisch lässt sich – wie beim Otto-Motor – allein durch die Funkenzündung zünden und entflammen. Mit Hilfe der Funkenzündung wird der chemische Zündverzug des Dieselkraftstoff-Luft-Gemischs überbrückt; es kommt durch die punktuell (lokal) sehr heiße Funkenzündung zu Verbrennungsreaktionen, die auf die unmittelbare Umgebung der Funkenstrecke übergreifen und dadurch die Gemischentflammung auslösen.
2. Relativ mageres homogenes Grundgemisch (Lambda wesentlich größer 1), Einspritzung einer Teilmenge während der Ansaugphase. Ein derartiges mageres Grundgemisch vermag durch den Zündfunken allein nicht mehr entflammt zu werden. Um dennoch dieses Gemisch entflammen zu können, wird im Verdichtungshub die Einspritzung einer weiteren Zünd(hilfs)menge benötigt. Diese zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmenge fördert die Entflammungsgeschwindigkeit und die Zündstabilität und trägt somit insgesamt zur Robustheit der Verbrennung bei. Der Zeitablauf zwischen Einspritzung und Zündung sieht dann folgendermaßen aus: – Einspritzung der Grundmenge für die Homogenisierung in den Ansaugtakt – Einspritzung der Hilfsmenge (Zündmenge) in den Verdichtungstakt a) Während der Zündung (Einspritzzeit innerhalb der Zündung, d. h. Funkendauer ist länger als die Einspritzdauer) oder b) Spritzbeginn – Zündbeginn – Spritzende – Zündende. D. h. nach der homogen eingespritzten Hauptmenge erfolgt zunächst der Beginn der Einspritzung für die Zündhilfsmenge, dann die Auslösung der Zündung während der Einspritzung, schließlich das Ende der Einspritzung der Hilfsmenge, anschließend das Ende der Zündung. Das Ende der Zündung muss nach dem Einspritzende liegen, da durch den zusammenbrechenden Einspritzstrahl die Zündbedingungen am günstigsten sind. Denn Gemischzusammensetzung und Tropfengeschwindigkeit durchschreiten beim Schließen des Einspritzventils Bereiche, die für die Gemischentflammung optimal sind.

Claims

Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit Benzin oder Dieselkraftstoff, mit einer Zündvorrichtung (14) und einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (13), wobei die Kolben (11) jeweils eine Brennraummulde (12) besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Brennverfahren (Benzin- wie Dieselbetrieb) eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (13) zum Einsatz kommt, die Mehrloch-Einspritzventile oder außenöffnende Kegelstrahlventile mit kegelförmigem Strahlbild und Strahlöffnungswinkeln zwischen 70° und 150° aufweist, und dass der Motorbetrieb bei Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten und bei Diesel-Direkteinspritzung nach dem luftverteilten Brennverfahren erfolgt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit Zündkerzen als Zündvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die im jeweiligen Zylinderkopf (10) befindliche Zündkerze (14) in unmittelbarer Umgebung der (Diesel-)Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (13, 15) angeordnet ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zündvorrichtung eine Glühzündungseinrichtung dient, deren elektrische Energiezufuhr in Abhängigkeit von der Motorlast steuerbar ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsverhältnis in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine 14 zu 1 beträgt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Benzinbetrieb des Motors mit Fremdzündung bei Leerlauf bis oberer Teillast die Kraftstoffeinspritzung – qualitätsgesteuert wie beim Dieselmotor – im Schichtladebetrieb mit einem Gemischverhältnis Lambda größer/gleich 1 erfolgt und dass bei Volllast ein geringer Teil des eingespritzten Kraftstoffs als Voreinspritzmenge zugeführt wird.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass im Dieselbetrieb des Motors bei Leerlauf und unterer Teillast eine Fremdzündung des eingespritzten Kraftstoffs und bei mittlerer Teillast ein Übergang von der Fremd- zur Selbstzündung erfolgt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor im Mischbetrieb mit Benzin und Dieselkraftstoff bei Leerlauf und Teillast mit Fremdzündung und bei höherer Teillast und Volllast mit Selbstzündung gefahren wird.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein geringer Teil des Kraftstoffgemischs als Voreinspritzmenge zugeführt wird und dass die Aktivierung der Voreinspritzung in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis Benzin/Dieselkraftstoff durch einen Kraftstoffsensor oder einen Brennraumdrucksensor oder einen Klopfsensor steuerbar ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einspritzung einer Teilmenge des Diesel-Kraftstoffgemischs während der Ansaugphase des Motors ein homogenes Kraftstoff-Grundgemisch erzeugbar ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung und Entflammung eines relativ fetten homogenen (Diesel-)Grundgemischs (Lambda größer ca. 0,7 bis 0,9, kleiner ca. 1,2 bis 1,5) allein durch Funkenzündung erfolgt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei relativ magerem homogenen Kraftstoff-Grundgemisch (Lambda wesentlich größer 1) zusätzlich eine Einspritzung einer weiteren Teilmenge des Kraftstoffgemischs während des Verdichtungshubes des Motors erfolgt, derart, dass das relativ magere homogene Diesel-Kraftstoff-Grundgemisch durch Funkenzündung entzünd- und entflammbar ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 5–11, dadurch gekennzeichnet, dass Zündung und Entflammung der Voreinspritzmenge durch Fremdzündung (Zündfunken) erfolgen.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, mit einem Rußfilter, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des Rußfilters durch Umschalten auf stöchiometrischen Benzinbetrieb erfolgt.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–12, mit einem Rußfilter, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des Rußfilters durch Umschalten auf Benzinbetrieb mit Lambda (ca.) 1,1 erfolgt.