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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung, insbesondere
eine selbstzündende
direkteinspritzende Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
10.
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Bei
konventionellen Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung wird zunächst Verbrennungsluft komprimiert
und anschließend
Kraftstoff beispielsweise in Form mehrerer Strahlen eingespritzt,
der mittels der Kompressionswärme
gezündet
wird. Die Vermischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft wird im
Wesentlichen dadurch erreicht, dass während des Einspritzvorgangs
eine Mischung der brennenden Einspritzstrahlen mit dem umgebenden
sauerstoffreichen Gas erfolgt. In der Regel treffen die Einspritzstrahlen
mit hohem Impuls auf eine in einem Kolbenboden eingelassene Mulde
auf, von der die Kraftstoffstrahlen umgelenkt werden. Daraus ergibt sich
eine intensive turbulente Ladungsbewegung, durch die eine vollständige Vermischung
des eingespritzten Kraftstoffes mit der Brennraumluft erzielt werden
soll. Ziel ist es dabei, die Entstehung von kraftstoffreichen Zonen
im Brennraum zu verhindern und somit die Bildung von Rußpartikeln
zu reduzieren.
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Zur
Optimierung einer Dieselverbrennung werden unterschiedliche Kolbenmuldenformen
eingesetzt sowie lastabhängige
Einspritzstrategien durchgeführt,
mit denen eine gezielte Brennraumkonfiguration zur Beeinflussung
der Verbrennung im Brennraum festgelegt wird. Dementsprechend können die
Gemischaufbereitung im Brennraum intensiviert, die Emissionsbildung
im Abgas verbessert und die Funktion einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlung
optimiert werden.
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Aus
der
DE 10213025 A1 ist
ein Brennverfahren bekannt, bei dem ein Teil des Kraftstoffes vor dem
Einsetzen der Selbstzündung
zur Erzielung eines homogenen Vorgemisches in den Brennraum eingespritzt
wird. Zur Einstellung eines hohen Mitteldruckes der Brennkraftmaschine
wird nach der zuerst einsetzenden Homogenverbrennung eine weitere
Kraftstoffstoffmenge in den Brennraum eingebracht, die nach einem
kurzen Zündverzug
schnell entflammt. Bei diesem kombinierten Homogen/Heterogen-Brennverfahren,
ebenfalls als HCCI- oder CHHC-Betrieb bekannt, werden die thermische Stickoxidbildung
und die Bildung von Partikeln minimiert, wobei CHHC als Abkürzung für "Combined Homogeneous
Heterogeneous Combustion" verwendet wird.
Bei der nach der homogenen Verbrennungsphase folgenden heterogenen
Verbrennungsphase soll die Stickoxidbildung durch eine späte Lage
der Kraftstoffeinspritzung und aufgrund einer reduzierten Sauerstoffkonzentration
durch den vorangegangenen homogenen Verbrennungsanteil sowie eines
Betriebes mit Abgasrückführung (AGR)
deutlich vermindert werden. Außerdem
soll aufgrund einer Verringerung der heterogenen Kraftstoffeinspritzmenge
die Bildung von kraftstoffreichen bzw. fetten Gemischzonen im Brennraum,
insbesondere am Ende der Einspritzung reduziert bzw. vermieden werden.
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Aus
der
DE 10213025 A1 ist
eine Dieselbrennkraftmaschine mit einer Kolbenmuldenform bekannt,
mit der sowohl ein homogener als auch ein heterogener Dieselbetrieb
ermöglicht.
Die in der
DE 10213025
A1 vorgeschlagene Kolbenmulde ist annähernd tellerförmig ausgebildet,
wobei sich aus der Mitte der Kolbenmulde ein Vorsprung in Richtung
der Einspritzdüse
erstreckt. Mit der tellerartigen Grundform wird versucht, in der
Kolbenmulde enge Radien an der Oberfläche zu vermeiden und Querschnittssprünge im Kolbenmaterial
zu minimieren, so dass sich die im Betrieb der Brennkraftmaschine
auf die Mulde auftreffenden Kraftstoffstrahlen schnell mit der Luft
vermischen. Dennoch können
während
eines CHHC-Betriebs, insbesondere während der heterogenen Verbrennungsphase,
kraftstoffreiche Zonen im Bereich des Muldenbodens entstehen. Diese
führen
insbesondere bei hohen Drehzahl- und Lastbereichen zu einer verstärkten Rußbildung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
mit Selbstzündung bereitzustellen,
bei der die Gemischbildung sowie die Verbrennung im Brennraum verbessert
werden. Diese wird erfindungsgemäß jeweils
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren
nach Anspruch 1 dadurch aus, dass der Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse in den
Brennraum während
eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen als Vor-, Haupt-,
und/oder Nacheinspritzung eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff
beim Auftreffen auf die Kolbenmulde zumindest teilweise entlang
einer Muldenbodenkontur zwischen einem Kompressionsvorsprung und
einem Muldenrand geführt
wird, und die entlang der Muldenbodenkontur geführten Kraftstoffanteile durch
einen Steigungswechsel im Muldenboden oder durch einen konvex ausgestalteten
Bereich im Muldenboden mindestens teilweise von einer Muldenbodenoberfläche abgelöst oder
abgelenkt werden.
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Die
durch den Steigungswechsel bzw. durch den konvex ausgebildeten Abschnitt
im Muldenboden erzielten Ablösungseffekte
ermöglichen
eine gezielte Vorwärtsbewegung
der Kraftstofftröpfchen bzw.
des Kraftstoffstrahls oder des weitgehend verdampften Kraftstoffes
in Richtung einer heißen
Kompressionszone in einem Quetschbereich zwischen dem äußeren Kolbenbodenbereich
und dem Zylinderkopf. Somit wird auch bei kleineren Kraftstoffmengen,
insbesondere wenn die Gesamtkraftstoffmenge in einer Vor-, Haupt-,
und/oder Nacheinspritzung aufgeteilt wird, durch den konvex ausgebildeten
Bereich im Muldenboden eine optimierte Führung des eingespritzten Kraftstoffes
innerhalb der Kolbenmulde erzielt. Dadurch findet eine intensive
Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft vor und/oder während der
Verbrennung statt.
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Die
vorgesehene Muldenform eignet sich aufgrund der erzielten Effekte
besonders für
einen CHHC-Betrieb, bei dem die jeweils eingespritzten Kraftstoffmengen
innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenmulde
sowohl für
eine homogene Gemischbildungsphase als auch für eine heterogene Verbrennungsphase
günstig
aufbereitet werden. Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße Muldenform
ebenfalls für
eine späte
Nacheinspritzung, die dazu dient, den Betrieb einer nachgeschalteten
Abgasnachbehandlungsanlage zu optimieren.
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Durch
den erfindungsgemäß vorgesehenen konvexen
Bereich innerhalb des Muldenbodens kommt eine Oberfläche des
Muldeninneren zustande, mit der durch die Ablösungseffekte im Muldenbodenbereich
eine Kraftstoffanreicherung insbesondere im Muldenrandbereich sowie
am Muldenboden verhindert wird. Eine effektive Reduzierung der Partikelbildung
während
der Verbrennung wird ermöglicht,
und eine notwendige Nachoxidation von gegebenenfalls bereits gebildeten
Rußpartikeln
kommt rechtzeitig zustande.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Vor-, Haupt- und/oder Nacheinspritzung
mit einem unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkel in den Brennraum
kegelförmig
eingespritzt. Dabei kann für die
homogene Gemischbildungsphase ein steiler Spritzlochkegelwinkel
verwendet werden, so dass der Kraftstoffstrahl im Wesentlichen auf
die Kolbenmulde auftrifft. Folglich wird ein Kraftstoffauftrag auf die
Zylinderwand vermieden. Aufgrund der offenen Form der Mulde sowie
durch den vorgesehenen konvexen Bereich innerhalb des Muldenbodens
bewegt sich die Gemischzone ferner nach außen, so dass eine Kraftstoffkonzentration
in einem begrenzten Teilvolumen des Brennraumes minimiert wird.
wird die Gemischverteilung durch den konvex ausgebildeten Bereich
im Muldenboden in einer Spätphase
der Homogenisierung unterstützt.
Vorzugsweise wird der Kraftstoff bei der nachfolgenden heterogenen
Verbrennungsphase sowohl im Fall der Teillast als auch bei Volllast
mit flacherem Spritzkegelwinkel als bei der homogenen Gemischbildungsphase
eingespritzt. Durch die erfindungsgemäße Muldenform ergibt sich bei
der heterogenen Verbrennungsphase eine zweckdienliche Brennraumerfassung
und infolgedessen eine verbesserte und nahezu vollständige Heterogenverbrennung
mit geringer Rußemission.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Voreinspritzung
mit einem Spritzlochkegelwinkel von 50° bis 100°, vorzugsweise von 70° bis 90° in den Brennraum
kegelförmig
eingespritzt. Im erfindungsgemäß vorgesehenen
Bereich für
den Spritzlochkegelwinkel werden günstige Voraussetzungen für ein optimiertes
Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf die vorgesehene Kolbenmulde
bei gleichzeitiger Verringerung eines Kraftstoffwandauftrags, so
dass eine gezielte und vorteilhafte Kraftstoffführung im Sinne der Erfindung
innerhalb der Kolbenmulde erzielt wird. Vorzugsweise wird die Voreinspritzung
zur Bildung des homogenen Gemisches in einem Kurbelwinkelbereich
von 130°KW
bis 30°KW
vor einem oberen Totpunkt eingespritzt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Haupteinspritzung
mit einem Spritzlochkegelwinkel von 90° bis 140° oder 100° bis 120° in den Brennraum kegelförmig eingespritzt.
Mithilfe der Kolbenmulde wird so ein angepasster CHHC-Betrieb entsprechend
der erfindungsgemäßen Kraftstoffführung entlang
der Kolbenmuldenkontur durchgeführt
und im Hinblick auf die Abgasemissionen optimiert. Vorzugsweise
wird die Haupteinspritzung zur Bildung eines heterogenen Gemisches
in einem Kurbelwinkelbereich von 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis
40°KW nach
dem oberen Totpunkt eingespritzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Nacheinspritzung mit
einem Spritzlochkegelwinkel von 80° bis 140°, vorzugsweise von 80° bis 120° oder 90° bis 120° in den Brennraum
kegelförmig
eingespritzt. Insbesondere bei der Vornahme der Nacheinspritzung
mit einem Spritzkegelwinkel von 80° bis 120° in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kolbenmulde
werden die Einspritzstrahlen der Nacheinspritzung vom heißen Gasgemisch
der Hauptverbrennung bzw. von der heterogenen Verbrennung erfasst.
Denn die heißen
Gase werden aufgrund der der Ablösungseffekte
im Muldenbodenbereich in einen Bereich des Brennraumes konzentriert
bzw. transportiert, in den die Kraftstoffstrahlen der Nacheinspritzung
hineindringen. Dadurch wird der Verdampfungsprozess des nacheingespritzten
Kraftstoffs beschleunigt.
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Insbesondere
wenn die Nacheinspritzung in einem Kurbelwinkelbereich von 30°KW bis 150°KW nach dem
oberen Totpunkt eingespritzt wird, werden die nacheingespritzten
Kraftstoffmengen vor Erreichen der Zylinderwand verdampft. Folglich
wird eine lastabhängig
optimierte Erzeugung eines unterstöchiometrischen bzw. angereicherten
Gemisches im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine ermöglicht, das
zur einer NOx-Regeneration
bzw. einer Desulphatisierung von NOx-Speicherkatalysatoren, zur Onboard-Erzeugung
von NH3 für
die Regeneration eines SCR-Katalysators bei einer selektiven katalytischen
Reduktion von Stickoxidemissionen und/oder zur thermischen Regeneration
eines Dieselpartikelfilters verwendet werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil der eingespritzten
Kraftstoffmenge zur Bildung des heterogenen Gemisches im Vergleich
zu einer Gesamtkraftstoffmenge zwischen 60% und 100% bei höheren Drehzahl-
und Lastbereichen bzw. bei Volllast und zwischen 30% und 70%, oder
um 50% bei niedrigen bzw. mittleren Drehzahl- und Lastbereichen.
Durch die vorgesehene Kraftstoffaufteilung wird ein auf die vorgesehene
Kolbenmulde angepasster CHHC-Betrieb
entsprechend der erfindungsgemäßen Kraftstoffführung entlang
der Kolbenmuldenkontur effizient durchgeführt und im Hinblick auf die
Abgasemissionen optimiert. Demnach kann eine in etwa vollständige Umsetzung
des Kraftstoffes im Muldenbereich unter Vermeidung von Rußpartikelbildung
erzielt werden.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung nach
Anspruch 10 dadurch aus, dass der Kraftstoff in den Brennraum mittels
einer Einspritzdüse
eingespritzt wird, die derart ausgebildet ist, dass der Kraftstoff
während
eines Arbeitsspiels in Form von mehreren Teilmengen in den Brennraum
eingespritzt wird und die Teilmengen wahlweise mit unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkeln
aus der Einspritzdüse
austreten. Weiterhin ist vorgesehen, dass im Kolben eine Kolbenmulde
angeordnet ist, die einen Muldenboden mit einer Muldentiefe aufweist,
wobei sich der Muldenboden von einem Kompressionsvorsprung bis zu einem
Muldenrand erstreckt. Zwischen dem Kompressionsvorsprung und dem
Muldenrand sind ferner mindestens drei abgerundete Übergangsbereiche ausgebildet,
wobei der erste Übergangsbereich
konkav ausgebildet ist bzw. einen ersten Radius mit einem Mittelpunkt
oberhalb der Muldenoberfläche
aufweist, der zweite Übergangsbereich
konvex ausgebildet ist bzw. einen zweiten Radius mit einem Mittelpunkt
unterhalb der Muldenoberfläche
aufweist und der dritte Übergangsbereich
konkav ausgebildet ist bzw. einen dritten Radius mit einem Mittelpunkt
oberhalb der Muldenoberfläche
aufweist. Weiterhin sind die drei Übergangsbereiche ausgehend
vom Kompressionsvorsprung oder von einer Kolbenmittellinie in radialer
Richtung nach Außen
bzw. in Richtung des Muldenrandes in einer Reihe angeordnet.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Kolbens wird eine schnelle Kraftstoffmassenausbreitung innerhalb
der Kolbenmulde hervorgerufen und somit eine rasche Vermischung
des Kraftstoffes mit der Luft erzielt. Eine Kraftstoffteilchenführung in Richtung
des Quetschbereiches des Kolbens wird mittels einer durch den konvex
ausgebildeten zweiten Übergangsbereich
hervorgerufenen Ablösung der
Kraftstoffmassenströmung
optimiert. Im Sinne der Erfindung ist unter dem Begriff "Ablösung" ebenfalls die Ablenkung
des Kraftstoffes in den freien Raum des Kolbens zu verstehen.
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Insbesondere
bei der Verwendung einer variablen Einspritzdüse, die eine Einspritzung des Kraftstoffes
in Form von Teilmengen mit unterschiedlichen Spritzlochkegelwinkeln
aus der Einspritzdüse ermöglicht,
kann eine verbesserte Kraftstoffablösung bzw. eine Kraftstoffablenkung
von der Muldenbodenoberfläche
weg ins Kolbenmuldeninnere lastpunktabhängig erzielt werden. Hierdurch
ergibt sich innerhalb der Mulde eine verstärkte Vermischung des Kraftstoffes
mit der Verbrennungsluft.
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Daher
eignet sich die vorgesehene Brennraumkonfiguration sowohl für den Einsatz
einer Einspritzdüse
mit einem steilen Spritzkegelwinkel als auch für den Einsatz einer Einspritzdüse mit einem flachen
Spritzkegelwinkel oder für
den Einsatz einer Einspritzdüse,
die wahlweise unterschiedliche Spritzlochkegelwinkel ermöglicht.
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Folglich
kann durch die erfindungsgemäße Brennraumkonfiguration
beispielsweise bei einem CHHC-Betrieb eine vorteilhafte Verbrennung
erzielt werden, insbesondere in Kombination mit einer Einspritzdüse mit schaltbarer
variabler Geometrie. Solche Einspritzdüsen, auch als Variodüsen bekannt, sind
z.B. in der
DE 199
16 485 C2 oder in der
DE 199 22 964 C2 beschrieben. Bei solchen
Variodüsen
sind mehrere selektiv wählbare
und frei schaltbare Spritzlochbohrungs reihen vorgesehen. Diese Spritzlochbohrungsreihen
sind unterschiedlich ausgebildet, so dass je nach Bedarf der Kraftstoff
innerhalb eines Arbeitsspiels unter Freischaltung einer bestimmten
frei wählbaren
Spritzlochbohrungsreihe mit unterschiedlichen Spritzkegelwinkeln
zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den Brennraum eingebracht werden
kann. Mit dem Einsatz einer Variodüse kann in Kombination mit
der vorgesehenen Muldengeometrie eine vorteilhafte Verteilung der
Verbrennungszonen erzielt werden, so dass eine optimierte Regelung
des Verbrennungsablaufs innerhalb des Brennraums bei der Vornahme
einer Vor- Haupt- und/oder Nacheinspritzung ermöglicht wird. Eine solche Verteilung
der Verbrennungszonen kann vorzugsweise in Kombination mit einem
entsprechenden Drall lastpunktsabhängig auch im Hinblick auf eine
Regelung einer nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung
optimiert werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie den zugehörigen Zeichnungen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration
einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung,
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2 eine
weitere schematische Darstellung der Brennraumkonfiguration nach 1,
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3 eine
schematische Darstellung einer frühen Kraftstoffeinspritzung
mit einem Spritzlochkegelwinkel von ca. 80° auf eine Kolbenmulde nach 1 und
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4 eine
schematische Darstellung einer Haupteinspritzung mit einem Spritzlochkegelwinkel von
ca. 120° auf
eine Kolbenmulde nach 1.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine abgebildet, die mindestens einen Zylinder 1 und
einen Zylinderkopf 2 aufweist. Innerhalb des Zylinders 1 ist
ein Brennraum 5 zwischen einem Kolben 3 und dem
Zylinderkopf 2 begrenzt. Gemäß 2 ist im
Zylinderkopf 2 ein Kraftstoffinjektor 6 mit einer
Einspritzdüse 6a angeordnet,
welche mehrere nicht dargestellte Einspritzbohrungen aufweist. Die
Einsspritzdüse kann
mehrere übereinander
liegende Einspritzlochbohrungsreihen aufweisen, wobei mindestens
eine Reihe Spritzlochbohrungen mit einem steilen Spritzkegelwinkel
zwischen ca. 70° und
90° umfasst,
und eine andere Reihe Spritzlochbohrungen mit einem flachen Spritzkegelwinkel
zwischen ca. 100° und 120° umfasst.
Die Durchmesser der steilen Spritzlochbohrungen sind kleiner ausgebildet
als die der flachen Spritzlochbohrungen, wobei die Anzahl der steilen
Spritzlochbohrungen vorzugsweise kleiner ist als die Anzahl der
flachen Spritzlochbohrungen.
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Aus
den Einspritzbohrungen treten im Betrieb mehrere Kraftstoffstrahlen 8 aus,
wobei die im Brennraum 5 nahezu mittig positionierte Einspritzdüse 6a vorzugsweise
zwei übereinander
angeordnete selektiv wählbare
Einspritzbohrungsreihen aufweist. Der Kraftstoff wird hierdurch
in einer entsprechenden Zahl von Kraftstoffstrahlen 8 direkt
in den Brennraum 5 eingespritzt, so dass eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine
realisiert ist. Vorzugsweise wird in den Brennraum 5 ein
Dieselkraftstoff eingespritzt, so dass eine selbstzündende Verbrennung
eingeleitet wird.
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Eine
im Kolbenboden 7 vorgesehene Kolbenmulde 4 befindet
sich an der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite des Kolbens 3 und
ist von einer ringförmigen
Muldenwand bzw. einem solchen Muldenrand 15 nach außen hin
begrenzt. Der Kolben 3 weist einen Kolbendurchmesser Db
auf, wobei die Kolbenmulde 4 innerhalb eines Muldenranddurchmessers
Dm eingeschlossen ist. Bei einem flachen Kolbenboden 7,
der gemäß 4 am
Muldenrand 15 angrenzt, wird am Ende eines Kompressionstakts zwischen
dem Kolbenboden 7 und dem Zylinderkopf 2 ein Quetschbereich 12 gebildet.
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Wie
in 1 dargestellt ist, weist die Kolbenmulde 4 einen
nahezu mittig positionierten, sich in Richtung des Zylinderkopfes 2 erstreckenden
Kompressionsvorsprung 10 auf. Die Kolbenmulde 4 ist derart
ausgebildet, dass eine Mittelachse des Kompressionsvorsprungs 10 vorzugsweise
mit einer Zylinderachse 19 und einer Mittelachse des Kraftstoffinjektors 6 zusammenfällt. Der
vorzugsweise in Form einer kegelförmigen Erhebung ausgeführte Vorsprung 10 weist
einen Vorsprungskegelwinkel αh
und eine abgerundete Kegelspritze auf. Die ausgebildete Erhebung 10 ist
nicht auf eine kegelförmige
Struktur beschränkt.
Sie kann beispielsweise auch als ein kugelförmiger Vorsprung ausgebildet
sein. Eine hohe Temperaturbelastung wird in der Kegelspitze dadurch
vermieden. Der Abstand Ak der abgerundeten Kegelspitze vom Zylinderkopf 2 beträgt bei einer
Kolbenstellung um einen oberen Totpunkt etwa 4% bis 6% des Kolbendurchmessers
Db, vorzugsweise um 5%. Der Kompressionsvorsprung 10 weist
dabei einen Kegelwinkel αh
auf, der in etwa dem des verwendeten Spritzkegelwinkels der Einspritzdüse 6a entspricht,
d.h. etwa zwischen 70° und
130°, vorzugsweise
um 100°.
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In 3 ist
eine Kolbenstellung bei etwa 50°KW
nach bzw. vor einem oberen Totpunkt OT dargestellt. Gemäß 3 erstreckt
sich ausgehend vom Kompressionsvorsprung 10 eine Muldenkontur 11 in Richtung
eines Muldenbodens 14 und dann weiter in Richtung des Muldenrandes 15.
Unter dem Muldenrand 15 ist das Ende bzw. der äußerste Bereich
der Kolbenmulde 4 zu verstehen. Die Kolbenbodenoberfläche 7 grenzt
unmittelbar am Muldenrand 15 an. An dieser Grenze wird
der maximale Muldendurchmesser Dm gemäß 2 gemessen.
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Gemäß 2 ist
die Einspritzdüse 6a oberhalb
der Kolbenmulde 4 angeordnet. Vorzugsweise ist die Kolbenmulde 4 im
Brennraum 5 der Brennkraftmaschine mittig angeordnet. Die
Muldenkontur 11 weist in einem zum Kompressionsvorsprung 10 benachbarten
Bereich einen abgerundeten ersten Übergangs bereich R1 auf. Innerhalb
des ersten Übergangsbereichs
R1 befindet sich vorzugsweise der tiefste Punkt der Kolbenmulde 4 mit
einem maximalen Abstand t vom Kolbenboden 7. Durch den
vorgesehenen Abstand t bleibt für
die entlang der Muldenkontur 11 geführten Kraftstoffanteile genügend Freiraum.
Somit kann sich die vom Kompressionsvorsprung 10 abgelenkte
bzw. geführte
Kraftstoffmenge optimal verteilen. Der Transport des Kraftstoffes
in Richtung des Muldenrands 15 wird durch die Ausgestaltung
des Muldenbodens 14 und die Abmessung des Muldendurchmessers
Dm im Vergleich zum Kolbendurchmesser Db optimiert.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine Ausgestaltung des Muldenbodens 14 und/oder ein Verhältnis Dm/Db
von Muldendurchmesser Dm zu Kolbendurchmesser Db vor, die zur Folge
hat, dass die Bildung von kraftstoffreichen Zonen zur Unterdrückung von
Rußpartikelbildung
minimiert wird. Vorzugsweise beträgt der Muldendurchmesser Dm
unter Berücksichtigung
der nachfolgend aufgeführten
Gestaltungskriterien etwa 75% bis 90%, vorzugsweise 83% des Kolbendurchmessers
Db.
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Das
Gestaltungskonzept der Kolbenmulde 4 zielt darauf ab, mittels
der erfindungsgemäßen Brennraumkonfiguration
die in den Brennraum 5 eingebrachten Kraftstoffstrahlen 8 zumindest
teilweise entlang der Muldenbodenkontur 11 zwischen dem Kompressionsvorsprung 10 und
dem Muldenrand 15 derart zu führen, dass genügend Kraftstoffanteile durch
einen Ablösungsvorsprung 16,
insbesondere in Form eines Steigungswechsels oder eines konvex ausgestalteten
Bereichs im Muldenboden 14 von einer Muldenbodenoberfläche abgelöst werden.
Der hierfür
vorgesehene Absprungs- bzw. Ablösungsbereich
liegt in einem Muldenbodenabschnitt, der einen Abstand A zur Zylinderachse 19 aufweist,
welcher etwa 30% bis 70%, insbesondere um 50% des Kolbenradius beträgt.
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Somit
wird ein eingespritzter Kraftstoffstrahl 8 entlang der
erfindungsgemäßen Muldenbodenkontur 11 geführt und
rechtzeitig von der Muldenbodenoberfläche abgelöst. Gleichzeitig werden hierdurch
die abgelösten
Kraftstoffanteile intensiv mit der verdichteten Verbrennungsluft
vermischt und die Lage der Verbrennungszone in einen äußeren freien
Bereich der Kolbenmulde 4 bzw. des Brennraums 5 verlagert, in
dem sich die größeren Volumenanteile
befinden. Das resultiert in eine rußpartikelarme Verbrennung. In 4 ist
eine Kolbenstellung bei etwa 10°KW
vor bzw. nach dem oberen Totpunkt OT dargestellt. Mit Hilfe der
vorliegenden Brennraumkonfiguration wird eine mögliche Entstehung von kraftstoffreichen
Zonen innerhalb der Kolbenmulde 4 vermieden. Infolgedessen
findet die selbstzündende
Verbrennung mit einer intensiven Rußpartikelnachoxidation statt.
Dies ist insbesondere bei Betriebspunkten mit großen Kraftstoffmassen,
beispielsweise im Volllastbetrieb von großer Bedeutung und vorteilhaft,
da hierdurch beim Betrieb der Brennkraftmaschine in oberen Drehzahl-
und Lastbereichen eine besonders rußpartikelfreie Verbrennung
ermöglicht
wird.
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Ausgehend
vom Kompressionsvorsprung 10 schließt sich in radialer Richtung
daran der erste Übergangsbereich
R1 an, so dass ein stetiger Übergang
in eine flach nach außen
ansteigende Muldenkontur 11 ausgebildet ist. Der Scheitelpunkt
beim ersten abgerundeten Übergangsbereich
R1 stellt den tiefsten Punkt der Kolbenmulde 4 dar. Dabei
beträgt der
Abstand t zwischen 10% und 20%, vorzugsweise um 14% des Brennraumdurchmessers
Db. Der erste Übergangsbereich
R1 weist einen Radius von etwa 8% bis 15%, vorzugsweise um 11% des
Brennraumdurchmessers Db auf. Durch die Positionierung des kegelförmigen Kompressionsvorsprungs 10 im
zentralen Bereich der Mulde 4 wird eine vorteilhafte Umlenkung
der Kraftstoffstrahlen 8 entlang der Muldenkontur 11 erzielt.
Außerdem
wird eine Reduktion des Volumens in einem Bereich erzielt, der unzureichend von
den Verbrennungszonen erfasst wird.
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Um
einen möglichst
parallelen Einspritzverlauf zum Vorsprungsverlauf zu vermeiden,
ist vorzugsweise der Vorsprungskegelwinkel αh um ca. 10° größer oder kleiner als der Kegelwinkel β, wenn der Kegelwinkel β steil ist
oder z.B. ca. 90° beträgt. Die Ausgestaltung
des Kompressionsvorsprungs 10 führt demnach zu einer Vermeidung
eines frühen
Ansaugens der Kraftstoffstrahlen 8, bekannt als Walljet-Effekt.
Die sich an den Übergangsbereich
R1 nach außen
hin anschließende,
vorzugsweise flach ansteigende Kontur stellt einen Muldenbodeninnenbereich 17 in
Form einer Oberfläche
eines ersten Kegels K1 bzw. eines trichterförmigen Abschnitts dar, der
einen Winkel αk1
zwischen ca. 130° und
160°, vorzugsweise
um 145° aufweist.
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Bei
etwa der Hälfte
des Kolbendurchmessers Db ist ein zweiter Übergangsbereich R2 angeordnet,
der von der ansteigenden Muldenkontur 11 mit einem Radius
zwischen etwa 5% und 15%, vorzugsweise ca. 8% des Kolbendurchmessers
Db in einen im Vergleich zum Muldenbodeninnenbereich 17 flacheren
Muldenbodenaußenbereich 18 übergeht. Diese
Zone stellt ebenfalls einen kurzen Abschnitt einer Oberfläche eines
zweiten Kegels K2 dar, der einen Winkel αk2 zwischen ca. 140° und 180° vorzugsweise
ca. 170° aufweist.
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Der
zweite Übergangsbereich
R2 wirkt als ein kleiner Höcker 16 bzw.
als eine Absprungskante. Nach außen hin folgt dann ein dritter
in Richtung des Zylinderkopfs 2 abgerundeter Übergangsbereich
R3 mit einem Radius von etwa 4% bis 10%, vorzugsweise um 7% des
Kolbendurchmessers Db. Die flache kegelförmige Zone zwischen dem zweiten Übergangsbereich
R2 und dem dritten Übergangsbereich R3
kann gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung derart verkürzt werden, so dass die Übergangsbereiche
R2 und R3 ineinander übergehen bzw.
mit einer gemeinsamen Tangente verbunden werden.
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Der
dritte Übergangsbereich
R3 geht wiederum in den steil ansteigenden Muldenrand 15 über. Der
Muldenrandbereich stellt wiederum einen Abschnitt einer Oberfläche eines
dritten Kegels K3 dar, der einen Winkel αk3 von ca. 30° bis 100° vorzugsweise
ca. 60° aufweist.
Alternativ ist der Muldenrand 15 in etwa parallel zur Zylinderachse 19 ausgebildet.
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Der
Muldenrand 15 geht in einen vierten abgerundeten Übergangsbereich
R4 über,
der am ebenen Kolbenboden 7 im Bereich des Quetschbereichs 12 angrenzt.
Der vierte Übergangsbereich
R4 weist einen Radius zwischen etwa 1% und 10%, vorzugsweise ca.
3% des Kolbendurchmessers Db auf. Bei einem steilen Verlauf vom
Muldenrand 15 und bei kleinen Radien am vierten Übergangsbereich
R4 bildet sich radial außerhalb
des Übergangs
eine Rezirkulationszone aus. Die vom Muldenrand 15 umgelenkten
bzw. geführten
Kraftstoffstrahlen 8 treten somit verstärkt aus der Mulde 4 in
Richtung des Quetschbereichs 12 bzw. Quetschspaltes heraus. Ein
etwas steilerer Anstieg des Muldenrands 15 im äußeren Bereich,
d.h. beim Übergang
zum Kolbenboden 7, führt
zu einer verstärkten
Umlenkung der an der Muldenkontur 11 gleitenden Kraftstoffstrahlen 8 nach
oben in Richtung des Zylinderkopfs 2, insbesondere bei
größeren Einspritzmengen
beispielsweise in einem heterogenen Betrieb. Somit wird ein Auftreffen
des Kraftstoffes an der Zylinderwand bei späteren Einspritzzeitpunkten
vermieden, insbesondere wenn der Kolben 3 schon weiter
unterhalb des Zylinderkopfes 2 steht.
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Die
vorliegende Brennraumkonfiguration eignet sich insbesondere für einen
CHHC-Betrieb, bei dem ein Teil des Kraftstoffes in Form einer Voreinspritzung
mit einem Spritzlochkegelwinkel β von
ca. 70° bis
90° in den
Brennraum kegelförmig
eingespritzt wird. Diese Voreinspritzung findet unter Freischaltung
bzw. einer Inbetriebnahme einer Spritzlochbohrungsreihe mit dem
steilen Spritzkegelwinkel in einem Kurbelwinkelbereich zwischen
130°KW und 30°KW vor einem
oberen Totpunkt statt.
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Danach
wird eine weitere Kraftstoffstoffmenge als eine Haupteinspritzung
mit einem Spritzlochkegelwinkel β zwischen
100° und
120°in den
Brennraum eingebracht. Die Haupteinspritzung findet unter Inbetriebnahme
einer weiteren Spritzlochbohrungsreihe mit dem flachen Spritzkegelwinkel
in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 20°KW vor dem oberen Totpunkt und
40°KW nach
dem oberen Totpunkt statt. Beim CHHC-Betrieb wird der Anteil der
homogen sowie der heterogen eingespritzten Kraftstoffmenge lastabhängig angepasst.
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Für die homogene
Gemischbildungsphase gelangt der Kraftstoffstrahl gemäß 3 im
Wesentlichen in die Mulde. Vorteilhaft ist dabei, dass ein Kraftstoffauftrag
auf die Zylinderwand vermieden wird und eine große freie Länge der Einspritzstrahlen 8 eingestellt
werden kann. Aufgrund der offenen Form der Mulde kann sich dabei
die Gemischzone auch nach außen
bewegen, so dass die Konzentration in einem begrenzten Teilvolumen
des Brennraumes vermieden wird. Der angedeutete Höcker 16 gemäß 3 unterstützt die
Gemischverteilung in einer späten
Phase der Homogenisierung.
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Für die nachfolgende
heterogene Verbrennungsphase wird der Kraftstoff vorzugsweise sowohl im
Fall der Teillast als auch bei Volllast mit flacherem Spritzkegelwinkel β zwischen
ca. 120° und
130° gemäß 4 eingespritzt.
Bei der heterogenen Verbrennungsphase ergeben sich dabei eine gute Brennraumerfassung
und somit eine optimierte und eine nahezu vollständige Verbrennung der Haupteinspritzung
mit geringer Rußemission.
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Im
Fall eines rein heterogenen Betriebes wird der Kraftstoff als eine
Haupteinspritzung beispielsweise bei Volllast mit heterogener Gemischbildung
ebenfalls in einem Intervall von ca. 20°KW vor dem oberen Totpunkt bis
ca. 40° nach
den oberen Totpunkt. Wird der Kraftstoff mit einem flachen Spritzkegelwinkel β von ca.
120° eingespritzt,
dann ergeben sich ebenfalls eine zweckdienliche Brennraumerfassung
und eine nahezu vollständige
Heterogenverbrennung mit geringer Rußemission.
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Wird
die Anzahl der Spritzlochbohrungen mit einem steilen Spritzkegelwinkel β kleiner
gewählt
als die Anzahl der Spritzlochbohrungen mit dem steilen Spritzkegelwinkel β, dann ergeben
sich unterschiedliche hydraulische Durchflüsse, d.h., unterschiedliche HD-Werte
für die
jeweilige Reihe. Vorzugsweise wird der HD-Wert der Reihe für die Voreinspritzung
kleiner gewählt
als der HD-Wert der Spritzlochbohrungen für die Haupteinspritzung bzw.
für die
Heterogenverbrennung.
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Die
vorgesehene Brennraumkonfiguration eignet sich ferner für die Vornahme
einer Nacheinspritzung, die vorzugsweise mit einem Spritzlochkegelwinkel β zwischen
80° und
140° oder
zwischen 80° und
120° in
den Brennraum kegelförmig
eingespritzt wird. Wird die Nacheinspritzung beispielsweise in einem
Kurbelwinkelbereich zwischen 30°KW und
150°KW nach
dem oberen Totpunkt eingespritzt, dann kann gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung eine Regeneration eines nachgeschalteten NOx-Speicher-Katalysators
eingeleitet werden. Die nacheingespritzten Kraftstoffstrahlen werden
durch die vorgeschlagene Brennraumkonfiguration in Verbindung mit
der vorgesehenen Einspritzstrategie vor Erreichen der Zylinderwand
verdampft.
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Die
Nacheinspritzung wird zur Erhöhung
der Kraftstoffanteile im Abgas vorgenommen, so dass ein unterstöchiometrisches
bzw. ein angereichertes Abgas erzeugt wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann die Nacheinspritzung zur Onboard-Erzeugung von
NH3 dienen, um einen SCR-Katalysator
zu regenerieren. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Nacheinspritzung ebenfalls dazu dienen, einen
nachgeschalteten Partikelfilter durch Anhebung der Abgastemperatur
zu regenerieren, wobei die oben genannten Ausführungsformen miteinander kombiniert
werden können.
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Vorzugsweise
wird bei der Nacheinspritzung mindestens eine Spritzlochbohrungsreihe
mit einem Spritzlochkegelwinkel β zwischen
80° und
140° gewählt, so
dass in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kolbenmulde 4 und
einem niedrigen Drall, vorzugsweise mit einer Drallziffer unter
eins, eine optimale Verdampfung der nacheingespritzten Kraftstoffmengen
stattfindet. Im Sinne der Erfindung ist mit niedrigem Drall eine
Drallziffer nach Tippelmann gemeint, die kleiner als eines ist.
Dementsprechend gelangt durch den im Muldenboden 14 angeordneten Höcker 16 die
heiße
Gemischwolke der Hauptverbrennung bzw. der heterogenen Verbrennung
aufgrund einer turbulenten Strömung
im Quetschbereiches 12 in die Umgebung des Zylinderkopf 2,
so dass das heiße
Verbrennungsgas zum Zeitpunkt der Nacheinspritzung in einer bestmöglichen
Position relativ zur Strahlachse der nacheingespritzten Kraftstoffmenge
verweilt.
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Ferner
kann die nacheingespritzte Kraftstoffmenge vorzugsweise mittels
einer Blockeinspritzung im Expansionshub in einem Kurbelwinkelbereich
zwischen 30°KW
und 150°KW
nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden, wobei alternativ die Nacheinspritzung
in Form einer zwei- bis siebenfachen getakteten Einspritzung in
einem Kurbelwinkelbereich zwischen 30° KW und 150° KW nach dem oberen Totpunkt
vorgenommen werden kann. Dabei kann die Taktdauer während der
Nacheinspritzung variiert werden, so dass die Kraftstoffteilmengen
der Nacheinspritzung unterschiedlich bemessen werden. Vorzugsweise
nimmt die Taktdauer der einzeln nacheingespritzten Teilmengen der
Nacheinspritzung mit steigender Taktzahl ab, falls der Einspritzdruck
nach der Haupteinspritzung abnimmt. Alternativ kann bei einer konstanten
Taktdauer der Einspritzdruck auf ein geringeres Niveau als bei der
Haupteinspritzung gesenkt werden. Zur Vermeidung eines Anstiegs
einer eventuell während
der Nacheinspritzung gebildeten Rußpartikelemission kann wahlweise
gemäß der Erfindung
der erste Nacheinspritztakt gegenüber dem darauf folgenden Nacheinspritztakt
bezüglich
der Einspritzmenge reduziert werden, wobei dann die weiteren Nacheinspritztakte
mit kontinuierlich abnehmender Kraftstoffmenge durchgeführt werden.